サレジオ工業高等専門学校

2020 年度

特別研究・卒業研究
概要集・専攻科 ・デザイン学科 ・電気工学科
・機械電子工学科 ・情報工学科【発行日】2021 年 3 月 19 日

2020年度

専攻科

特別研究

テーマ一覧

学籍番号

学生氏名

テーマ（和文）

19601

岩井 隆人

台形素子を用いたFeSi2熱電モジュールの作製

19602

笠原 淳一

交流式電気磁気曝露による自律神経活動

19603

小泉 響輝

酸化銅を用いた光伝導セルの作製

19604

米華 真典

超冪乗による複素点列の最適点配置に関する数理的研究

19605

齋藤 虎大

PVモジュールに塗布するPV用分子結合チタニアシリカ光触媒の長期的有効性の検討

19606

柴田 健吾

複数のセンサネットワークの遠隔運用を目的としたモニタリングシステムの検討

19607

住吉 佑基

運動下における生理学的パラメータのリアルタイムモニタリングに関する研究

19608

三宅 慶実

脈波計を用いた心疾患の予防に関する研究

19609

宮田 凱人

非接触給電における送受電コイル間の異物が給電電力に与える影響

19610

八木 貫太

PVモジュールから放射するノイズの抑制法に関する研究

19611

吉村 望

道路を流れる交通量を需要とする施設の配置を決定する数理モデルとその解法の研究

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台形素子を用いた FeSi2 熱電モジュールの作製
Production of FeSi2 thermoelectric modules using trapezoid elements
19601 岩井 隆人
指導教員 山下 健一郎，加藤 雅彦に切断を行い、東京ブレイズ製 TB-608T 活性金
属ろうを用いて Al2O3 基板上にろう付けし[2]、それぞれの形状同士の p 型と n 型の 1 対モジュール及び 2 対モジュールを作製した。図 2 に作製した 2 対モジュールの概略図を示す。作製したモジュールの片側をチラーで強制冷却しながらもう片方を加熱し、両端に 100℃、200℃、
300℃、400℃の温度差をつけた状態での V-I 特性測定とサーモカメラ(FLIR 製 E6-XT)による温度分布測定を行った。さらに、モジュールの片側をホットプレートにより 100℃、200℃、300℃に加熱し、もう片方を 46mm×50mm×21mm のヒートシンクにより空冷し、V-I 特性測定並びに温度分布測定を行った。また、台形素子モジュールの耐久性を知るため、電気炉の中で大気中300℃で 300h の耐久試験を行い、その後出力特性を見るため 400℃、300℃での V-I 特性測定を行い長方形素子モジュールとの比較を行った。

1. 緒 言熱電発電とは、ゼーベック効果を利用した発電方法であり、熱電素子の両端面に温度差を与える事によって発電することができる。また、
熱電素子はペルチェ効果と呼ばれる電気を加えると素子の両端面に温度差を発生させる発電とは逆の性質を有する。ペルチェ効果において、長方形素子のアスペクト比を変化させると吸熱量が変化し、素子や放熱フィンなどを含んだ温度伝達率に影響することが報告されている[1]。
そのため、ペルチェ効果と逆現象であるゼーベック効果でも同様の影響を考慮する必要があると考えられる。既存の熱電モジュールの多くは作製が容易な長方形素子を使用していることが多く、素子形状における出力特性の変化は考慮されていない。より良い出力特性を得るため、長方形素子のアスペクト比のみならず、他の素子形状の可能性を探るべきであると考えた。そこで本研究では、素子形状を変化させた際の熱電モジュールの出力特性を評価することを目的とした。長方形素子と比較する素子形状
として、図 1 のような低温側と高温側の入熱する面積に差をつけることのできる台形形状を選択した。モジュールの全高を統一し素子の上底、下底のみ形状を変化させて比較を行うため、素子の体積、高さ、厚さを統一した。

p型

図2

p型

n型

長方形及び台形素子モジュールの 2 対モジュー
ルにおける概略図

3. 結 果2 対モジュールの低温側を強制冷却とした時の V-I 特性測定結果を図 3 に示す。台形素子モ
ジュールの特性を実線、長方形素子モジュールの特性を破線として表記した。

厚さ:4.3mm

図1n型

素子形状と寸法2. 方 法
p 型 Fe0.92Mn0.08Si2、n 型 Fe0.96Co0.04Si2 の組成
で秤量を行い、アーク溶解にてインゴットを作製した。その後、自動乳鉢で微粉砕を行い、180μm-355μm の間に粒径を揃えるように造粒、300MPa で冷間プレスし焼結条件 1170℃、3h で常圧焼結を行った。焼結体は厚さ 4.3mm とし、図 1 に示すような上底 4mm、下底 10mm、高さ10mm の台形と、幅 7mm、高さ 10mm の長方形

図3

‐1‐

強制冷却における 2 対台形素子及び長方形素子
モジュールの V-I 特性測定結果

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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400℃差をつけた時、長方形素子モジュールの最大電力は 24.4mW、台形素子モジュールは25.1mW となり 0.7mW ほど台形素子モジュール方が大きい結果となった。
強制冷却における 300℃差をつけた際の 1 対モジュールの温度分布測定結果は図 4 のようになった。カラーバーから素子の高温側、低温側の温度をそれぞれ取得し温度差を算出した結果
として、出力の大きい台形素子モジュールの温度差が 198.2℃、長方形素子モジュールの温度差が 233.7℃となった。また、温度分布を比較すると台形素子の方が高温の部分が多くなっている
ことがわかる。台形素子モジュールの出力が大きくなった理由として、FeSi2 系熱電素子ではより高温の時の方がゼーベック係数が高い為[3]、温度分布が高温部分の多い台形素子の出力が大きくなったと考えられる。

長方形素子

長方形素子

台形素子

図 6 空冷おける温度分布

子の高温側、低温側の温度をそれぞれ取得し温度差を算出した。結果として、出力の大きい台
形素子モジュールの温度差が 97℃、長方形素子
モジュールの温度差が 87℃となった。また、温度分布を比較すると台形素子の方が高温部分が多くなっており、台形素子モジュールの方の出力が高くなった理由として強制冷却時と同様な理由が考えられる。
300℃の大気中で 300h の耐久試験した 2 対モ
ジュールを用いて V-I 特性測定を行った。結果
として、長方形素子と比較して大きな出力低下は起きず剥離や破断等は観測されなかった。
4. 結 言既存の熱電モジュールの多くは作製の容易な長方形素子を使用していることが多く、素子形
状における出力特性の変化を考慮されていないことが多い。そのため本研究では、低温側と高温側の入熱する面積を変化させる事のできる台形形状に着目し、体積、高さ、厚さを統一して長方形形状との比較を行った。それぞれの形状の 1 対素子と 2 対素子のモジュールを作製し、それらの低温側を強制冷却とした時と空冷とした時での V-I 特性測定を行い最大電力を算出した。また、サーモグラフィを用いてその時の温度分布測定を行った。
結果として、強制冷却、空冷共に長方形素子
モジュールよりも台形素子モジュールの方が出力が大きくなることが分かった。また、300℃、
300h で行った耐久試験では台形素子モジュー
ルに剥離等は発生しなかった。これらの結果か
ら素子形状における出力変化は十分に起こると考えられ、今後同体積でより出力の高い熱電モ
ジュールを作製する際には安易に長方形素子を採用するのではなく、素子形状を考慮する必要があると考えられる。
文 献

台形素子

図 4 強制冷却における温度分布

次に 2 対モジュールの低温側を空冷とした時の V-I 特性測定結果を図 5 に示す。結果として、
ホットプレート温度を 300℃とした時の長方形
素子モジュールの最大電力は 8.35mW、台形素
子モジュールは 9.35mW となり 1.00mW ほど台
形素子モジュールのほうが大きくなることが分かった。
空冷におけるホットプレート温度を 300℃とした時の 2 対モジュールの温度分布測定結果は
図 6 のようになった。同様にカラーバーから素[1] Ravi Anant Kishore, et al., Nat. Commun., 10, pp.1-13(2019).
[2] H. Inoue, T. Kobayashi, M. Kato, S. Yoneda: J. Electron.
Mater., 45(3), pp.1767-1771 (2016).
[3] 坂田亮, 熱電変換工学, リアライズ社, p.207, (2001)
図5

空冷における 2 対台形素子及び長方形素子モジュールの V-I 特性測定結果‐2‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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交流式電気磁気曝露による自律神経活動
A Consideration on Autonomic Nerve Activity using AC Electromagnetic Fields Exposure
19602 笠原 淳一
指導教員 風間 俊哉, 吉田 慧一郎
水準(Skin Potential Level, SPL)と高周波成分の皮膚電位反射(Skin Potential Reflex, SPR)に分けられる。副交感神経が優位な時に SPL の値が小さくなるという報告がある[4]。
2.2 LF/HF
LF/HF とは、交感神経の活性度を表す指標であり、心拍変動のパワースペクトルの低周波成分(0.04‐0.15Hz)を LF、高周波成分(0.15‐0.40Hz)
を HF としたときの、各々の帯域のエネルギの比で定義される。LF/HF は、交感神経活動が優位のとき大きくなるため、自律神経活動の評価において多くの研究で用いられている[5]。
2.3 実験概要
本研究では、交流式磁気治療器を用いて交流式電気磁気を曝露した際の、生体信号の変化を心拍センサと皮膚電位計を通して観測する実験を行った。そして先行研究での問題点を解決するために心拍センサへの影響がない磁気治療器の位置、被験者の姿勢の改良と複数人での被験者による測定を行った。
2.4 実験方法
本研究では、安静状態 5 分、磁気曝露 15 分、安静状態 15 分の計 35 分間において生体信号(HRV と SPA）を計測する。5 分ごとに各々の中央値を求め指標とする。被験者は 20 才の男性
7 名で行い、実験中は着座とし腕に皮膚電位計
SPN-01((株)西沢電機計器製作所製)、胸部に心拍センサ WHS-2(ユニオンツール(株)製)を取り付
け、椅子の下に磁気治療器((株)ソーケンメディ
カル製)を設置する。また、実験中の睡眠による副交感神経活動への影響を防ぐためにキーボー
ドタイピングによる軽作業を被験者に行わせた。
2.5 実験条件
本実験では測定を安定させるため次のような実験条件を設けた。
(1)被験者が心身共に健康体である事。
(2)静かでなるべく音が入ってこない部屋で行う。
(3)実験中なるべく体を動かさないよう指示(4)被験者には実験中睡眠に入らないよう指示。
(5)実験前、実験中に磁気を曝露することを隠す。
ここで、(2),(3)は被験者への刺激を防ぎ、刺激による数値への影響を抑えるための条件である。また、副交感神経は睡眠によって大きく影響するため、(4)の条件が必要となる。なお、先1. 緒 言現在、自律神経失調症で悩んでいる人が多く、自律神経活動を正常化させる治療支援が望まれている。私は治療支援のひとつの手法として、
交流式電気磁気治療に注目した。交流式電気磁
気治療には血流改善効果がある事が報告されているが、自律神経活動と交流式電気磁気の関係は解明されておらず、更なる検討が望まれている[1]。そこで、本研究では、交流式電気磁気の曝露による副交感神経活動の測定を心拍変動(Heart Rate Variability, HRV)解析と皮膚電位活動(Skin Potential Activity, SPA)の変化から検討した。
先行研究では心拍センサを用いた測定を行った[2]。実験は、磁気治療器を立てかけた背もた
れ付きの椅子を用意し、胸部に心拍センサを取り付け、始めに安静を 15 分間、磁気曝露を 15
分間、曝露後の安静を 15 分間の計 45 分間測定
を行い、HRV をはじめとする諸情報ならびに、
交感神経活動の指標である LF/HF を記録した。
結果として、磁気曝露後は交感神経活動が優位になることが示唆された。しかし、測定において以下のような問題が発生した。
・磁気曝露中はセンサが誤作動し、自律神経活動が計測できなかった。
・磁気は血流を制御する効果があるので、血流に依存した自律神経活動の計測方法はその影響を大きく受けるため不適切である。
この 2 つの問題から、血流に依存しない自律神
経活動の測定が必要となった。そこで、SPA から行う方法が報告された[3]。そこでは、磁気曝露による SPA が低下する傾向が見られたが、データのばらつきと被験者数の問題から、その特徴を明らかにすることはできておらず、被験者の仰向けによる実験姿勢による SPL、LH/HF の値低下の懸念が上がったため実験方法の改良が必須となった。
以上のことから、本研究では、これらの問題点を改善すべく、自律神経活動の変化を明らかにすることを目的として行った。
2. 交流式磁気曝露時の自律神経活動の測定
2.1 皮膚電位
精神活動状態を表すパラメータとして皮膚電気活動がある。一般にエクリン汗腺の活動から修飾される。皮膚電位は低周波成分の皮膚電位‐3‐2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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2 は磁気曝露を行った時の SPL の傾向グラフである。図 2 より、section1 では SPL の中央値が1.95[mV] で あ っ た が 磁 気 曝 露 中 で あ る
section2~4 では 1.27[mV], 1.19[mV], 1.08[mV]と徐々に値が低下しており磁気曝露後のsection5~7 に か け て も 1.02[mV], 1.04[mV],
0.67[mV]と低い値で安定していることが確認できる。図 3 では比較の為 5 分ごとの中央値を求
め、磁気曝露を開始した時点（section2）を 1 とする正規化を行ったところ、SPL の傾向同様、磁気の曝露を行っていない場合では値が横ばいであったが、磁気曝露時では 1 以下の低値で推移が見られた。これらの事から磁気曝露により副交感神経が優位になっていることが分かる。

入観を排除するため(5)の条件を設けた。
3. 結 果

4

1section5 分
N=7

SPL[mV]

3
2
1

0
1

2

3

4

5

6

7

section

4. 結言
本研究では、交流電気磁気の曝露時の自律神
経活動の変化を心拍変動解析と皮膚電位変化を用いて検討した。本研究により以下の知見を得た。
(1) SPL の変化から、磁気曝露中と曝露後に副交感神経が優位になる。
(2) LF/HF の変化から、磁気曝露中から曝露後にかけて副交感神経が優位になる。
本研究により人体に交流式電気磁気を曝露させると座位での態勢でも副交感神経の上昇が見られた。展望としては、被験者の増員による統計的信頼性の確保及び、実験中の周辺の雑音やや体動を考慮した実験環境により 先行研究
[2][3]との比較を通じて、磁気と自律神経の関係を解明する必要がある。

図 1．SPL 傾向グラフ(磁気なし)

4

1section5 分
N=7

磁気曝露

SPL[mV]

3
2
1
0
1

2

3

4

5

6

7

section
図 2．SPL 傾向グラフ(磁気あり)

磁気あり 磁気なし
1section5 分
磁気曝露
N=7

3

文 献
[1] H.Okano et. al., The physiological influence of

LF/HF

2
1

[2]

0

[3]

1

2

3

4

section

5

6

7
[4]

図 3．LF/HF 傾向グラフ[5]

磁気の影響を明らかにするため磁気曝露を行った場合に加え、磁気を曝露しなかった場合での実験結果を示す。図 1 より、磁器曝露を行っていない場合、section2,3 では SPL の中央値が2.67[mV], 2.57[mV] と 高 い 値 を 示 し た がsection4~7 に か け て 2.11[mV], 2.01[mV],
2.02[mV], 2.03[mV]と 2.0[mV]付近で値が低下することなくほぼ一定を示していたため実験姿勢による値低下の問題が解決されたと言える。図‐4‐

alternating current electromagnetic field exposure on
human subjects, Proc. of ICSMC 2017, (2017),
pp.2444-2446.
中村空美他 5 名，交流式電気磁気治療による自律神経活動について，第 29 回 BMFSA 年次大会講演
論文集, (2016), pp.99-102.
岩田和也, 皮膚電位計を用いた交流式電気磁気曝
露時の自律神経活動，第 30 回 BMFSA 年次大会講演論文集，(2017), pp29-32.
坂口正雄他 6 名，局所発汗量連続記録装置による
皮 膚 電 位 反 射 の 評 価 ， 信 学 技 報 ， 437 (1991),
pp.57-65.
早野順一郎，循環系指標のスペクトル解析，自律神経，35 (1998), pp.110-117.

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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酸化銅を用いた光伝導セルの作製
Fabrication of Photoconductive Cell using Copper Oxide
19603 小泉 響輝
指導教員 米盛 弘信, 黒木 雄一郎

2. 方 法
原料に CuO および Cu2O 粉末を用いた。粉末
試料をそれぞれ 2g 量り取り、PVA 含有率を 1,3,
10mass%の 3 条件で混合し、ハンドプレスによって圧粉体を形成した。電気炉にて 300℃、4 時間
脱脂、900℃、2 時間焼結を行うことで CuO および Cu2O 焼結体を作製した。得られた焼結体に金スパッタおよび銀ペーストで電極を形成し、測定‐5‐試料とした。-15～+15V 範囲での電流-電圧特性を測定し、電極と焼結体の間におけるオーミック
接触を確認した。光伝導測定に関しては、光源にXe ランプを使用し、20cm 程離した試料に対して5 分ごとに照射(ON)・遮光(OFF)を繰り返した。
入力電流は 10mA の定電流値に固定し、光照射のON-OFF 操作の際に起きる電圧変化をデータロ
ガーにて測定した。
3. 結 果図 1 に CuO および Cu2O のかさ密度の PVA 含
有率依存性を示す。CuO 焼結体のかさ密度は
PVA の 含 有 率 が 1mass% の 時 に 理 論 密 度(6.52g/cm3)の 48.9%だったが、3mass%では 60.4%、10mass%では 60.6%と増加した。Cu2O の場合では、1mass%の時に理論密度(6.18g/cm3)の 67.2%、
3mass%の時に 67.2%、10mass%の時に 65.5%であった。CuO 焼結体の場合では PVA 含有率が増加するとかさ密度が向上した。これに対して Cu2Oの場合では、大きな変化は見られなかった。
100

80

Density / %1. 緒 言太陽光パネルを始めとした光伝導セルに使用する半導体材料は、Si のように光伝導性に優れたものが多く利用される。その中でも、硫化カドミ
ウム(CdS)は可視光下での光特性に優れており、入光する光の明るさで抵抗値を操作するフォトレジスタとして幅広く利用されている。しかし、
CdS は摂取または接触をすると内臓器官障害や生殖機能障害等の症状を起こす危険物質である。
そこで、CdS よりも危険性の少ない代替材料として酸化銅に注目した。酸化銅(Ⅱ)(CuO)はバンドギ
ャップが 1.4eV の間接遷移型半導体であり、酸化銅(Ⅰ)(Cu2O)は 2.1eV の直接遷移型である[1,2]。いずれも適度なバンドギャップと光吸収係数を有するため、光センサ材料として応用されている。
Cu2O は大気中では不安定な為、時間経過により酸化が進行することで CuO に変化するが、光伝導性に優れる。対して CuO は大気中でも安定していることが大きな利点である。過去に私は大気中で安定な CuO に注目して研究を行った。CuO
を圧粉成形し、500～900℃で熱処理することで
CuO 焼結体を作製した。900℃で作製した試料のかさ密度は理論密度の約 50%であった。CuO 焼
結体に銀ペーストで電極を形成し光伝導を測定した。消灯時に 4.7V、点灯時は 4.65V まで低下した。5 回同様の操作を行った結果、同様の変化が見られた。CuO 焼結体の光伝導測定結果では、光応答速度が低く、光照射時の電圧が不安定であった。約 50%の密度であったことから、残りの50%は空隙であり、電流パスが少ないためだと考えた。電極に関してもオーミック接触が取れていなかった可能性も考えられる。更に、CuO が間接遷移型半導体であるためだと考察した。以上より専攻科特別研究における目的を、①CuO および
Cu2O 焼結体の作製、②PVA の含有率を変化させることによる密度の改善、③電極の形成方法の改善、と設定した。これらの結果を検討し、酸化銅の光センサとしての可能性を評価した。

Cu₂O

60

CuO

40

20

0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

PVA Content / mass%

図1

CuO および Cu2O 焼結体のかさ密度

次に CuO 焼結体および Cu2O 焼結体のオーミ
ック特性を測定した。結果を図 2 および図 3 に示す。CuO の場合、PVA 含有率が 1mass%の試料に関しては、金スパッタ膜を形成していない試料の平均抵抗値が 2083Ω程だった。金スパッタ電極を形成したものでは平均抵抗値が 594Ω程であった。3mass%では 330.8Ω、10mass%では 525.7Ω
であった。Cu2O 焼結体では、PVA 含有率が1mass%の時に 630.6Ω、
3mass%で 1429Ω、
10mass%では 972.2Ω だった。CuO および Cu₂O 焼結体において、電圧と電流が比例的な関係で変化していたことから、オーミック接触が形成されたと考えられる。

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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CuO-PVA-1mass%

3.4

ON

OFF

Voltage / V

3.3

3.25
3.2
3.15
3.1
3.05

3
2.95
0

5

10

15

20

25

30

35

Time / min
2.15

ON

OFF

2.1

ON

OFF

ON

OFF

40

45

50

CuO-PVA-3mass%
ON

OFF

ON

OFF

2.05

2
1.95
1.9

1.85
1.8
1.75

1.7
0

5

10

15

20

25

30

35

Time / min
2.6

Voltage / V

1mass%=594.6Ω

20

ON

OFF

ON

OFF

ON

OFF

ON

OFF

40

45

50

CuO-PVA-10mass%
ON

OFF

ON

OFF

2.5

3mass%=330.8Ω

40

ON

OFF

ON

OFF

ON

OFF

3.35

2.55

60

Current / mA

た、PVA 含有率に応じて平均電圧が低下する様子も確認された。このことから、本研究で得られた Cu2O 焼結体は光電導デバイスとして有用だと考えられる。

Voltage / V

次に 10mA の定電流にて、PVA 含有率 1, 3,
10mass%の試料における光伝導測定を行った。測定結果を図 4 に示す。CuO と Cu2O のいずれの試料においても、ON 状態にすると電圧が低下し、OFF 状態にすると回復することを確認した。CuO
焼結体の光伝導の測定結果から平均電圧を計算したところ、PVA 含有率 1mass%で約 3.16V、
3mass%で 1.89V、10mass%で 2.33V であった。
PVA 含有率の増加に伴う平均電圧の変化は見られなかった。光源を ON または OFF にした際の電圧変化が遅く、ノイズが多いことも確認した。
一方、Cu2O 焼結体の場合には、光源を OFF から ON へと移行した際に、1sec 以下で電圧が低下した。OFF にした際も、電圧が瞬間的に回復した。
Cu2O 焼結体における電圧の平均値を求めたとこ
ろ、PVA 含有率が 1mass%の時に約 3.12V、
3mass%
で 2.87V、10mass%で 2.04V であった。PVA 含有率が高くなることで粒子同士の結合が促進され、焼結した際に電流パスが多く形成されたことで、試料の抵抗値が低下したものと考えられる。

2.45

2.4
2.35
2.3

2.25
2.2

2.15

0

0

1mass%(Au膜なし)=2083Ω

-20

3.75

Voltage / V

-60

-10

-5

0

5

10

15

Voltage / V

図2

15

20

ON

OFF

30

35

3.25

3.15

2.95
2.85

3.1

10mass%=972.2Ω

5

10

15

20

25

30

35

0

ON

OFF

ON

OFF

ON

OFF

3mass%=1429Ω

ON

OFF

ON

OFF

2.9

2.8
2.75

2.7

-40

2.25

-60

2.15

0

5

10

15

20

25

30

35

Time / min

Voltage / V

15

Voltage / V

Cu2O 焼結体のオーミック特性

ON

OFF

2.2

図3

50

2.85

2.65

10

45

2.95

-20

5

40

Cu2O-PVA-3mass%3

Voltage / V

1mass%=630.6Ω

0

ON

OFF

3.35

3.05

40

-5

ON

OFF

Time / min

-10

50

3.45

0

-15

45

3.05

CuO 焼結体のオーミック特性

20

40

Cu2O-PVA-1mass%

ON

OFF

ON

OFF

60

Current / mA

25

3.55

10mass%=525.7Ω
-15

10Time / min

3.65

-40

5

ON

OFF

ON

OFF

40

45

50

Cu2O-PVA-10mass%
ON

OFF

ON

OFF

2.1
2.05
2

1.95
1.9
1.85

4. 結 言CuO および Cu2O 焼結体の光伝導測定を行った
結果、いずれの試料においても光伝導特性を示すことを確認した。また、光伝導測定の際に経時的に電圧が低下する様子が確認された。CuO 焼結
体では、ON-OFF 操作した際の電圧の時間変化がCu2O と比較して緩やかであった。Cu2O 焼結体では安定した電圧変化が確認され、ON または OFF
状態で瞬時に電圧が変化する様子が見られた。ま

1.8
0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Time / min

図4

CuO および Cu2O 焼結体(PVA 含有率 1, 3, 10mass%)の光伝導特性文

献[1] M. C. Neuburger, Zeitschrift fuer Physik, 67(1930)845[2] A. E. Rakshani, Solid State Electronics, 29(1986)7‐6‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

超冪乗による複素点列の最適点配置に関する数理的研究
A mathematical and numerical study of point configurations
for a complex sequence by the tetration
19604 米華 真典
指導教員 須志田 隆道，島川 陽一
Arg(𝑅𝑝𝑘 (𝑧0 ))の値をグレースケールで示した𝑧0の分布図である．ここで，Arg(𝑧) ∈ (−𝜋, 𝜋]は偏角の主値を表す．

1. はじめに
ひまわりなどの植物が作り出す螺旋模様を螺
旋葉序という[1]．ひまわりなどの典型的な植物の螺旋葉序の研究分野では，点配置として，対数螺旋上の複素点列𝐵(𝑧0 ) = {𝑧0 𝑗 | 𝑗 ∈ ℕ} (𝑧0 ∈ℂ ∖ {0,1}, |𝑧0 | < 1)が考えられた．𝐵(𝑧0 )では，収束点が原点0であり，(𝑧0 𝑗+1 − 0)/(𝑧0 𝑗 − 0) = 𝑧0である(図 1(a))．葉序の分野では，𝐵(𝑧0 )を用いた円盤充填などの幾何学モデルの数理構造が網羅的に研究されている[2]．𝐵(𝑧0 )における各元での複素数の演算に着目すると，各元は𝑧0の冪乗(ハイパー3 演算子)である．
巨大数論[3]の分野では，数の演算の一般化としてハイパー演算子と呼ばれるものが定義されている．複素力学系[4]の分野では，超冪乗(テトレーション，ハイパー4 演算子)と呼ばれる演算で定義される複素点列
𝑆(𝑧0 ) = {𝑧⏟0 𝑧0⋰𝑧 0|𝑗 ∈ ℕ}

(a)

(1)

𝑗

が研究されている[5]．𝑆(𝑧0 )は複素点列𝐵(𝑧0 )と異なり，複数のクラスタを作る𝑧0が存在する(図1(b))．Galidakis(2005)は，収束点の個数に対する判定条件及び収束点の複素座標の導出を行った(図 2(a))[5]．

(b)
図 2. (a) 収束点の個数に応じて分類された集合(収束点の個数が 4 まで)，数字は収束点の個数を表す, (b)グレースケールで表された 𝑅𝑝𝑘 (𝑧0 )の分布図.

(a)(b)
図 1. (a) 点列𝐵(𝑧0 )，𝑧0 = 0.9e2𝜋⋅(2−𝜏)⋅i の例．ここで，τ = (1 + √5)/2は黄金比である.(b)𝑆(𝑧0 ), 𝑧0 = −1 + i.

3. クラスタ数が 1 である場合の点配置を評価するためのエネルギー関数
𝑧0 ∈ ℂに対して，超冪乗による点列𝑆(𝑧0 )が 1
個のクラスタをもつ場合について，点配置を評価するための関数を次のように定める．

2. 複素点列𝑆(𝑧0 )における各クラスタの収束
𝑆(𝑧0 ) = {𝑓 (𝑗) (𝑧0 ) | 𝑗 ∈ ℕ} (𝑓(𝑧) = 𝑧0 𝑧 ) は 収
束する場合と発散する場合があるが，ここでは収束する場合を考える．点列の収束点が𝑝個のとき，𝑆(𝑧0 )は次のように表せる．
𝑆(𝑧0 ) = 𝑆0 (𝑧0 ) ∪ 𝑆1 (𝑧0 ) ∪ ⋯ ∪ 𝑆𝑝−1 (𝑧0 ) (2)𝑆𝑘 (𝑧0 ) = {𝑓 (𝑗𝑝+𝑘) (𝑧0) | 𝑗 ∈ ℕ}
(3)
各𝑆𝑘 (𝑧0 )について，比𝑓 ((𝑗+1)𝑝+𝑘) (𝑧0) − 𝜉𝑘(4)
𝑅𝑝𝑘 (𝑧0 ) = lim
𝑗→∞ 𝑓 (𝑗𝑝+𝑘) (𝑧0 ) − 𝜉𝑘を考える．ここで，𝜉𝑘 は𝑆𝑘 (𝑧0 )の収束点の座標とする．このとき，任意の𝑘 ∈ {1,2, … . 𝑝 − 1}に対して𝑅𝑝𝑘 (𝑧0) = 𝑅𝑝0 (𝑧0 )が成り立つ．図 2(b)は∞𝑈(𝑧0 ) = ∑|𝑓 (𝑗) (𝑧0) − 𝜉|

(5)

𝑗=0

ここで，𝑓 (0) (𝑧0) = 𝑧0とし，𝜉は点列の収束点である．図 3 は複素平面ℂ 上における部分集合{𝑥 + i𝑦 | −2 ≤ 𝑥, 𝑦 ≤ 2}から実部及び虚部の範囲を 400 分割して得られる400 × 400の複素数
を初期値𝑧0として，関数𝑈(𝑧0 )網羅的に計算した結果を表すヒートマップである．
‐7‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校ができる．ひまわりなどの植物が作り出す螺旋模様を思い返すと，黄金角(2𝜋/𝜏)をもつ植物が大多数であったため，𝑛 = 1とした得られる𝜃の値に収束すると予測されたが，超冪乗による点列𝑆(𝑧0 )では，関数𝑈(𝑧0 )の値を最大にする𝜃の値
は，𝑛 = 7の場合であった．

図 3.関数𝑈(𝑧0 )のヒートマップ．

図 3 のヒートマップは，領域の境界付近で高い値を示しているので，収束点と各点の距離が離れていることがわかる．このことから，境界付近の複素数𝑧0であれば，クラスタのサイズが大きいと推測することができる．
4. 1 個のクラスタをもつ場合の初期値
点列𝑆(𝑧0 )のクラスタ数が𝑝個である条件は以下の通りである．
′|(𝑓 (𝑝) ) (𝜉)| < 1(6)

図 4. 単位円板内において関数 𝑈(𝑧0 ) 極大値(黒色)および極小値(灰色)をもつ複素数の集合．円盤内の線分(点線)は𝜃 = ±2𝜋/(𝜏 + 𝑛 − 1)として，exp(i𝜃) と原点を端点とするものである．図内の円周上に示された数字は𝑛 の値を示している．

ここでは，クラスタの個数が 1 である場合を考えているので，𝑝 =1 として，𝑟 ∈ (0,1)および
𝜃 ∈ [−𝜋, 𝜋)を用いた連立方程式′(𝑧0 𝜉 ) = 𝑧0 𝜉 log(𝑧0 ) = 𝑟ei𝜃{(7)
𝑧0 𝜉 = 𝜉を考える．これを𝑧0について解くと，𝑟ei𝜃
(8)𝑧0 = exp ( 𝑟ei𝜃 )eを得る．以上のことから，単位円板𝔻 ={𝑧 ∈ ℂ | |𝑧| < 1} を点列𝑆(𝑧0 )が 1 つのクラスタを作る初期値𝑧0の集合へ移す写像を𝜁
𝜙(𝜁) = exp ( 𝜁 ) (𝑧0 = 𝜙(𝜁), 𝜁 = 𝑟ei𝜃 ) (9)eとして定めることができる．
5. 𝑈(𝑧0 )の最大値探索
最後に，関数𝑈(𝑧0 )が最大になる初期値𝑧0 =𝜙(𝜁) (𝜁 = 𝑟ei𝜃 , 𝑟 ∈ (0,1))を網羅的に探索する．
ここでは，複素平面ℂの部分集合{𝜁 = 𝑟ei𝜃 ∈ ℂ | 0 < 𝑟 < 1, −𝜋 ≤ 𝜃 < 𝜋}から𝑟および 𝜃の範囲を 1000 分割して得られる
1000×1000 の複素数を初期値𝑧0 = 𝜙(𝜁)とする．
図 4 は，𝑟を固定したときに 𝑈(𝑧0 ) が極大値
および極小値になる𝜃の値を数値的に求め，それぞれを黒色および灰色にて，単位円板𝔻上にプロットしたものである．𝑈(𝑧0 )の最大値は原点0から伸びている黒線である．この黒線は，中心から近い(𝑟の値が小さい)とき，𝜃 = 0が極大値となっているが，𝑟が一定の値を超えると，極大値をもつ𝜃の値が複数個存在する．さらに，𝑟が 1 に近づくと，𝑈(𝑧0 )が最大になる𝜃の値が±2𝜋/(𝜏 + 7 − 1)に近づくことを観察すること

6. まとめと今後の課題
本研究では，巨大数論で議論される超冪乗による複素点列𝑆(𝑧0 )の収束や点列の分類を行った．さらに，収束する点列における開度が同じ値になる初期値𝑧0の集合を，計算機を援用することで明らかにすることができた． また，クラスタ数が 1 である場合の点配置を評価するためのエネルギー関数𝑈(𝑧0 )を定義し， 𝑈(𝑧0 )の最大値を探索した結果，最大になる 𝜃 の値は黄金
比 𝜏 = (1 + √5)/2 を 用 い て 得 ら れ る±2𝜋/(𝜏 +7 − 1) に収束することを数値的に示した．数学的な証明を与えることは今後の課題である．
また，クラスタ数が 1 である場合に限定して，エネルギー関数を最大化する初期値𝑧0を調べたが，クラスタ数が複数個になった場合を考える
ことが今後の課題としてあげられる．
文 献[1] Roger V. Jean, “Phyllotaxis: A Systemic Study in Plant
Morphogenesis” Cambridge University Press, 2009.
[2] Sushida, T, and Yamagishi, Y. “Geometrical study ofphyllotactic patterns by Bernoulli spiral lattices.”
Dev.Growth.Diﬀer., 59(5), 2017, 379-387.
[3] フ ィ ッ シ ュ , “ 巨 大 数 論 第 2 版 ” NextPublishing
Authors Press, 2017.
[4] Robert L.Devaney 著,後藤憲一訳, “カオス力学系入門
第 2 版”,共立出版, 2003.
[5] Galidakis, I. N. “On solving the p-th complex auxiliary
equation f(p)(z) = z” Complex Variables, 50(13), 2005,
977-997.

‐8‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

PV モジュールに塗布する
PV 用分子結合チタニアシリカ光触媒の長期的有効性の検討
Examination of Long-Term Efficacy of Molecular-Bonded
Titania Silica Photocatalyst for PV Applied to PV Module
19605 齋藤 虎大
指導教員 黒木 雄一郎, 米盛 弘信
1. 緒言
現在、地球温暖化が問題になっていることから、再生可能エネルギーの注目が高まっている。そのひとつに太陽光発電がある。太陽光発電は、発電
時に温室効果ガスの排出がないことや導入が容易な特徴がある。そのため、企業から一般家庭まで幅広く普及が進んでいる。しかし、太陽光発電
は長期の間 PV モジュールを屋外で使用するため、PV モジュールの表面が汚染されてしまう。その結果、PV モジュールの発電電力の出力低下が観測されたとの報告がある[1]。本研究室では、2013
年 3 月から本校の屋上で、セルフクリーニング効果を有する光触媒を塗布した PV モジュールの発電量の観測を行っている[2]。PV モジュールの表
面コーティング剤は、2 種類用意し(分子結合チタ
ニアシリカ光触媒塗布：以下 PV 用光触媒、ガラ
ス用光触媒塗布：以下従来の光触媒)、比較のために無塗布(従来の反射防止剤：AR 剤)の PV モジ
ュールを実験に供している。
屋外曝露は 2013 年 3 月から実施しているが、本研究では、測定器交換の都合上 2017 年 5 月から 2019 年 11 月の観測データを使用する。観測データより、PV モジュールの表面コーティングが異なる場合の各月の発電電力量を比較し、セルフ
クリーニング効果を有する光触媒の長期有効性を検討した。
2. PV 用光触媒と従来の光触媒の特徴
光触媒の特徴として、主に 2 種類の機能がある。1 つ目は、有機物の分解である。これは、PV
モジュールの表面に汚染物質(糞害など)が付着した場合、太陽光(紫外線)によって、水と二酸化炭素に分解される機能である。2 つ目は、超親水性である。図 1 より、撥水性は PV モジュール表面と水滴の角度が 90°以上 150°以下を指している。
対して、親水性は 90°以下である。また、5°以下になると超親水性といわれている。撥水性は接触角度が大きいため水滴状になり、汚れの原因となる。しかし、超親水性は接触角度が小さく、水は膜状に広がって、汚れの下に入り込んで流すことができるため、セルフクリーニング効果を発揮する。
図 2 は、表面コーティングした PV モジュール(PV 用光触媒、従来の光触媒、無塗布)の透過率を‐9‐示す。太陽光発電に必要な光の波長は、600～
1100nm である。図 2 より、600～1100nm の範囲
で、無塗布(AR 剤)を基準とした際に、PV 用光触媒を塗布しても透過率は低下しない。対して、従来の光触媒は－0.6％低下した。このことより、従来の光触媒と比較すると、PV 用光触媒は光触媒
特有の機能を備えつつ透過率も高いため、太陽光発電に適している。
90°≦θ≦150°
Teardrop
Teardrop-shaped

PV module surface（a）撥水性θ≧5°Water film
Water
film

PV module surface(b) 超親水性
図1

PV モジュール表面における水の状態

図 2 透過率の比較

3. 実験方法
本実験では、サレジオ工業高等専門学校の屋上に設置されている PV モジュールを使用する。なお、測定器交換の都合上 2017 年 5 月から 2019 年
11 月の観測データを使用し、過去 3 年半分の観測データより、PV モジュールの表面コーティン
グが異なる場合の発電電力量の比較、および各月の発電電力量から PV モジュールの表面コーティ
ングにおける長期有効性を確認する。その結果か
ら、光触媒が有するセルフクリーニング効果の長期有効性を確認する。なお、光触媒はメタルウェ
ザー試験によって実環境下 20 年に相当する耐久性を確認している[3]。
2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

4. 実験結果
4.1 表面コーティングした PV モジュールにおける発電電力量の比較
図 3 に 2017 年 5 月から 2019 年 11 月における単結晶 PV モジュールの発電電力量推移を示す。
なお、2017 年 7 月は測定不良により、観測デー
タの信頼性が確認できなかったため示していな
い。図 3 より、2017 年 5・6 月、および 10 月以降の期間において、最も効率よく発電できている
表面コーティングは PV 用光触媒である。PV 用
光触媒が優位な結果となった理由は、光触媒の特徴である有機物分解、および超親水性による雨洗効果が発揮されたためと考える。しかし、2017 年
8・9 月においては無塗布 PV モジュールが最も効率よく発電できている。詳しい原因の特定には至っていないが、予想されることは、PV 用光触媒
塗布の PV モジュール上端に野鳥がとまって糞をして固着してしまったこと、および降雨が少なく
超親水性効果が発揮できなかったことなどが考えられる。一方、従来の光触媒は、光触媒の諸効果が発揮されていた場合でも無塗布と比較して透過率が低いため、発電効率が低下したと考えられる。

光発電に必要な光の波長(600～1100nm)で透過率に優れていることや、セルフクリーニング効果が有効的に機能したため、発電電力量の改善ができたといえる。
5. 緒言本研究では、2017 年 5 月から 2019 年 11 月の観測データより、無塗布及び PV 用光触媒、従来の光触媒を塗布した PV モジュールの発電電力量の比較を行った。PV 用光触媒は、従来の光触媒
よりも 600～1100nm における透過率が優れているため、発電電力量も増加傾向にある。すなわち、
過去 3 年半分の観測データより、PV 用光触媒は発電電力の維持に対して有効的に機能していることが確認できた。
今後は、継続的に発電データを取得することで実環境下における PV 用光触媒の耐久性・有効性を明らかにしていく。
文献
[1]
[2]

4.2 PV 用光触媒と従来の光触媒における発電電力量の比較
図 4 に PV 用光触媒と従来の光触媒における発電電力量の差を示す。観測データ取得以降、PV 用
光触触媒は従来の光触媒よりも効率よく発電できていることが確認できる。この結果より、PV 用
光触媒は従来の光触媒の機能を維持しつつ、太陽[3]

大内雅之：「太陽電池モジュールの検査方法と不具合事例」，電気設備学会誌，Vol.37,pp.346-349(2017)
Hirotoshi Nakagawa, Kouhei Matsuoka, Hironobu
Yonemori：“A Study about the Self-Cleaning of a PV
Module Surface Using Photocatalyst”, IEEE Region
10 Humanitarian Technology Conference 2014 (R10
HTC), pp.98-103, Chennai, Tamilnadu, India (2014-08)
中川寛淑，片倉嘉之，岩下真輝，米盛弘信：「分子結合チタニアシリカ光触媒が塗布された PV モジュールの発電特性に関する検討」，サレジオ高専研究紀要，第 43 号，pp.33-38(2014-12)8070Photocatalyst for Glass

Nomal

Photocatalyst for PV

Electric Power [kW]Electric Power[kW]

60
50
40

30
20
10
0

Year monthDifference in Generated Power[%]

図 3 単結晶 PV モジュールの発電電力
8
7

6
5
4
3
2
1
0

Yera month

図4

PV 用光触媒と従来の光触媒での発電電力の差‐10‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

複数のセンサネットワークの遠隔運用を目的としたモニタリングシステムの検討
A Study of the Monitoring System for Remote Operation of Multiple Sensor Networks
19606 柴田 健吾
指導教員 島川 陽一, 吉田
1. はじめに沿岸部における漁業や環境調査では多点、多層の水温と塩濃度を観測することが重要とされている。従来から行われている方法として
CTD(Conductivity,Temperature and Depth profiler)
や ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)が用いられてきた[1]。CTD は観測した電気伝導度、水温、水圧から塩濃度等の計測が可能で、ADCP
は流向や流速を多層的に観測が可能である。しかしこれらの機器はリアルタイムで多点、多層の水温を観測することは困難である。近年では得られたデータを観測機から無線機器を用いてインターネットに接続するシステムが開発されている[2]。だが通信距離の問題から携帯電話回線を利用していることが多いため、回線契約などコスト面が不十分といった問題がある。そこで本研究室では LPWA を利用した多点、多層の水温分布を観測する沿岸センサネットワーク開発を行っている[3]。これにより取得した多点・多層の観測データをリアルタイムで取得することが可能になった。しかし本研究で使用するセンサネットワークは遠隔地の観測が多い。そのためよってデータの取得と回収のために現地に行く必要があった。そこで本稿では上記の問題
点を解決するために観測データの遠隔取得方法を検討した。前期の研究では POST 通信およびDB(データベース)を利用したオンラインシス
テムの試作や水温観測ノードの新規作成、テス
トデータの取得実験を行った。後期はシステムの発展として水温観測以外の本研究室で行っている微気象、塩濃度、土壌水分量といった複数のセンサネットワークの観測を管理する基幹シ
ステムの開発及び実際の観測データによる取得実験を行った。
本稿では実際の観測データによる取得実験を行った結果及び基幹システムによる複数のセン
サネットワークの遠隔監視化の結果を報告する。
2. システム構成
図１は今回検討したセンサネットワークのシ
ステム構成を示す。このシステムは、まず観測ノードで取得したデータを基地局へ送信する。
次に基地局で取得したデータを送信してきた観測ノード番号に応じたサーバー内の受信用 php
ファイルへ POST 通信で送信する。その後デー
タ処理を行い DB のテーブルにそれぞれ登録

‐11‐

将司

する。本研究の水温観測では日時、座標、水温のデータを DB に登録している。本研究ではこのシステムの拡張として、本研究室で行っている微気象、塩濃度、土壌水分量の各センサネッ
トワークの観測データも水温観測同様にファイル等を作成し、DB を増設した。データを表示
するときは選択画面からサーバー内に設けた各表示用 php ファイルにアクセスすることでリア
ルタイム表示ができる。またファイルのダウンロード機能を設けたことで、csv ファイルによるデータの取得が可能になった。
3. 実験内容
構築したシステムの動作を確認するために、
各センサネットワークを別々で動作させて実験を行った。図 2 は今回の実験図を示す。各セン
サネットワークで実験するためノードはそれに応じて取り替えて受信実験を行う。この実験で基地局でのデータ受信、データベースへのアッ
プロード、リアルタイム表示、csv 出力を確認した。また複数の遠隔運用を目的とするため
Rasberry Pi に 3 つの LoRa モジュールを接続し、運用した同時運用実験も実施した。図 3 は同時運用実験の様子を示す。
LoRaによるセンサネットワーク
ファイル出力サーバー

GPS
水深別水温データ

テーブルa1
テーブルa2・・・
テーブルan

データ処理を行い各データベースへ保存

POST送信基地局a

観測ノードa1…an

・
・
・

データ取得
phpファイル
GPS
気象観測データ

データベースa…X
データ表示

基地局b

観測ノードb1…bn

・
・
・
GPS
土壌観測データ

監視局

表示＆ダウンロード

観測ノードX1…Xn

基地局X

図 1 通信実験図
観測ノード

監視局
サーバー(Xserver)

基地局
水温ノード
Rasberry Pi3

データ送信

LoRa
ES920LR

基地局(データ受信、アップロー
ド用pyファイル)データ登録
POST送信テーブル

データ登録用
phpファイル

気象ノード

データベース
データ表示

表示用phpファイルを検索

表示用
phpファイル

塩濃度ノード最新のデータを常に表示する。

土壌ノード

図 2 動作実験図

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

4. 実験結果
実験内容に従い水温観測ノードで実験を行った。学校の屋上にノードを取り付け、2021 年 1
月 17 日 17 時 50 分~2021 年 1 月 18 日 17 時 50分の間通信を実施した。図 4 は基地局のデータ受信の様子、図 5 は表示用 php ファイルを表示したものである。図 4 の赤い枠部分及び図 5 が示すように DB の最終更新日時と観測値が一致していることから、データのアップロード及びリアルタイム表示ができていることが分かる。
さらに図 6 の csv ファイル表示画面の赤い枠が示す値も受信したデータと一致していることから、DB のデータをダウンロードできていることが分かる。同時運用実験では Rasberry Pi に複数の LoRa モジュールを同時に運用してもデータを受信することができた。よって複数のセン
サネットワークでも基地局の運用が可能となった。
5. まとめ
今回は水温センサネットワークだけでなく微
気象、塩濃度、土壌水分量のセンサネットワー
クの基幹システムとして DB を用いた遠隔監視システムを開発した。通信実験では実際の観測
データの取得から DB 登録、データのリアルタ
イム表示化、csv 出力の動作及び同時運用が可能になり、複数のセンサネットワークに対する遠隔監視システムを実現することができたと言える。今後の展望としては、ブラウザでの表示
画面の改良及び実地での稼働が考えられる。現在モニタリングシステムでリアルタイム表示しているのは、全て数値のみである。そのためブラウザ上での地図表示、グラフ表示といったセンサネットワークの状況が一目でわかるような表示方法が必要であると考えられる。
また実地(周防大島)での稼働は新型コロナウ
イルスの影響により今年度は実施できなかったため、可能になり次第、実地でのデータ取得実
験を行う。

図 4 基地局の受信の様子

・・・
図 5 水温観測の表示画面

図 6 水温表示の出力した csv ファイル

文 献[1]Hajime Chiba, Kenji Hamada, Yutaka Michida, Shintaro
Hamshimoto: ”Oceanographic Observations by Onboard
CTD and ADCP in Toyama Bay”, 日本航海学会論文集
132 巻, pp.86-96(2015)[2]Teruichi Ogawa, Shinichi Sugawara, Yoshinobu Maeda,
Hideo Makino: ”Development of a Sensor Network forContinues Water-temperature Evaluation:-Results Obtained
from Experiments Conducted in Brackish Lake-water-“,
電 気 学 会 論 文 誌C,Vol.134,No.3,pp43-46(2010)[3]厨裕紀, 吉田将司: “センサネットワークにおける受信システムの改善と可視化”, 大学コンソーシアム八王子要
旨, B113(2017)

図 3 基地局同時運用実験の様子‐12‐

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運動下における生理学的パラメータのリアルタイムモニタリングに関する研究
Study on real-time monitoring of physiological parameters under exercising19607 住吉 佑基
指導教員 風間 俊哉，𠮷田 慧一郎
1. 緒 言現在，医療技術の発達による人生 100 年時代の到来や若年層でのアウトドアブームなどが重な
り，日本国内におけるレジャーアクティビティの需要が高まっている．特に日本では，特殊な資格などが必要なく手軽であることから幅広い世代で楽しまれている登山や日本の豊かな海洋資源を利用したダイビングなどのレジャーアクティ
ビティが人気である．また，近年のインバウンド
増加に伴う外国人旅行者による観光の多様化も進んでおり，日本国内のレジャーアクティビティの観光資源化の動きや，レジャーアクティビティ
人口の多様化が進んでいる．しかし，アクティビ
ティ人口の多様化に伴い，アクティビティ中の事
故も年々増加している．様態別の原因としては発病によるものが多い．例えば，気圧の低下と急激な運動負荷の上昇により酸欠を起こし，頭痛やめまい，意識の喪失などを引き起こす高山病．水圧により体組織の窒素飽和を起こし，血管の塞栓，
神経の圧迫を起こす減圧症や，血中窒素濃度の上昇により，判断力の低下やパニック症状を起こす
窒素酔いなどの潜水病．以上のように，運動時において体内の気体分圧の変化に身体の順応が間に合わず発生する病が多い．これらの病気において，目視での予防を行うには，ある程度の専門知識を必要とするため，知識を持たない場合には有効な予防を行うことは難しい．また，罹患のしやすさは当時の体調や各個人の順応能力により異なるため，個人差や体調を反映できる予防法が必要である．そこで本研究では，生理学的パラメータに着目し，発病との関連性調査のために潜水中や登山中の特殊環境や平地における運動下の生理学的パラメータ変動の調査を行い，高山病や潜水病予防機器の開発を行った．
2. 方 法
本研究では，生理学的パラメータの 1 つとして，血液中の酸素化ヘモグロビン含有率を示す,
動脈血酸素飽和度 SpO2 に着目し，運動下においてリアルタイム計測を行う為，試作機の作製を行った．機器仕様は，反射型センサーNJL5501R（JRC 製）を用い，赤色光（RED：660 [nm]），
赤外光（IR：940 [nm]）を皮膚表面に照射し，その反射光をそれぞれのフォトトランジスタで受光し，電圧値を記録した．SpO2 算出のために用いた校正曲線は試作機の電圧値 RED/IR の値に対し‐13‐て，既製品のパルスオキシメータで取得した
SpO2 の値を基準に近似した直線を校正曲線として使用した．

（a） 指先式（初号機）（b） 手首式（水中特化型）（c） 耳たぶ式（指先式改善型）
図 1 本研究で作製した試作機

本研究では，現在まで 3 タイプの試作機を作製した．まず，指先式（図 1（a））はセンサーを指先に装着し，計測を行っている．指先式では，陸上において，走行試験，登山試験，水中において，潜水試験を行った[1]．陸上の実験では，運動の形
態ごとに異なる生理学的パラメータの変動を観測できた．特に登山試験では，登山中の一部の区間において急激な変動を観測できたため，高山病の予防へ有効である可能性が確認できた．しかし，水中の実験では，機器の防水性能確保が難しく，計測が出来なかった．以上より，特別研究ではまず，水中での計測を可能にするため，2 タイプ目
として，手首式を作製行った．手首式（図 1（b））
は防水性能の確保を優先し，アクションカメラ
（GoPro）の防水ケースにセンサーを含む回路全2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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目との周期的な関係は確認できず，既製品によるポイント計測の結果とも離れていることが確認できる．周回数 5 回の結果も同様で，2 周目以降の変動には周期的な関係が確認できたが，1 周目
は周期的な関係は確認できなかった．
105
SpO2[%]

95
85
耳たぶ式

75

既製品

65
0

10

20

30
Time[min]4050（a）SpO2
心拍数[bpm]

150
130
110
90
70
50

耳たぶ式
既製品

0

10

20

30
Time[min]

40

50

40

50

40

50

高度[m]

（b）心拍数
220
210
200
190
180
170
0

10

20

30
Time[min]

（c）高度
150
速度[m/min]

体を収納し，センサーはカメラのレンズ部分に配置した．手首式も同様に，陸上において，走行試
験，登山試験，水中において，潜水試験を行った．
陸上の実験では，運動時の動作によりノイズが発生しやすく，計測が難しいことが分かった．一方，潜水試験では，潜水中における生理学的パラメー
タ変動の観測に成功した．特に，最大潜水深度
18[m]程度の潜水を行った際には，潜水直後や安全停止区間において，特徴的な変動を観測できた
ため，潜水病予防に有効である可能性が示された．
以上の結果より，本研究では，手首式を水中特化型とし，潜水実験に用いている．次に，陸上での計測におけるノイズの軽減および，ウエアラブル
性の向上を目的として，3 タイプ目の耳たぶ式（図 1（c））を作製した．耳たぶは手首と比べて体組織が薄く，信号が取得しやすい．また，直接動作を行う部位ではないため運動中の計測に適していると考えた．そこで，耳たぶ式が運動中の計測に適しているかを検証するために歩行実験を行った．
3. 実 験
実験は，11 月初旬に複数回実施した．被検者は20 代前半男性 1 名で，耳たぶ式と既製品のスマートウォッチ（Fitbit，Charge3）を装着し，約1.5[km]のコースを歩行した．運動負荷の変動と生理学的パラメータの変動の関連性を調査するために，周回数を 3 回，5 回として 2 度行った．
コースには大きな階段（図 2）がある．また，運動前後および週ごとに既製品のパルスオキシメータ（NISSEI，BO-750）を用いた計測を行った．

100
50
0
0

10

20

30
Time[min]（d）速度
図 3 周回数 3 回 実験結果

図 2 コース内の階段

図 3 に周回数 3 回の結果を一例として示す．まず，既製品による計測では，SpO2 と心拍数ともに開始前と各週の差は少なく変化はほぼない．次に，耳たぶ式による計測では，SpO2 と心拍数共に各
週の既製品と同時刻での計測は近い値を取得した．また，同じコースを周回するため，運動負荷の変化は周期的になる．そのため運動中に発生する生理学的パラメータの変動も周期的になることが予測されるが，本実験の結果においてもSpO2，心拍数ともに 2 周目以降の変動は周期的なものとなっている．1 周目に関しては 2，3 周‐14‐

4. 結 言本研究では，高山病など運動中に発生する病の予防を目的とし，運動中の生理学的パラメータを計測するための機器開発を行ってきた．指先式では，防水性能とウエアラブル性の問題を発見し，次の手首式では，防水性能に関しては解決したが，指先式に比べて体動アーチファクトに弱く，陸上での運動時の計測は難しいなどの問題を発見した.以上より，陸上での計測を動作面の改善および，体動アーチファクトの影響低減を行うために耳たぶ式を作製した．実験より，周期的な運動負荷の変化に対して，生理学的パラメータの周期的な変動が観測できたため耳たぶ式の運動時の計測に対する有効性が確認できた.また，着用時の感覚からウエアラブル性の向上が確認できた．
文 献[1] 住吉 佑基，「レジャーダイビングにおける減圧症の予防に関する研究」，サレジオ高専平成 30 年度卒業
論文，2018

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

脈波計を用いた心疾患の予防に関する研究
Study on Prediction of Heart Failure Using Sphygmograph Device
19608 三宅 慶実
指導教員 風間 俊哉, 𠮷田 慧一郎‐15‐

APG-b［a.u.］

も医師の診断を受けることが可能なシステムの開発を行った．
3. 結 果本研究の第二段階として行った実験では，鎖骨下動脈に狭窄を有さない被験者群 (20 代～50 代
男女計 6 名)および，鎖骨下動脈に狭窄が疑われる被験者群 (80 代女性 1 名)を対象として左右指尖部 PPG の同時計測および 左右上肢における血圧測定を実施し，得られた左右指尖部 PPG および左右の最高血圧について，それぞれの被験者群
で t 検定を行った．その結果，最高血圧について
は鎖骨下動脈に狭窄が疑われる被験者群のみで左右に有意差が見られ，左右指尖部 PPG の特徴
量については，検討した 17 個の特徴量のうち，APG (Acceleration plethysmogram)-b ， APG-b/a ，APG-e，APG-e/a，VPG (Velocity plethysmogram)PPG ピーク間時間で，鎖骨下動脈に狭窄が疑われる被験者群のみにおいて左右に有意差が見られることが明らかとなった．図 1～図 5 に左右指尖部 PPG における平均値および標準偏差を示す．
54
49
44
39
34
29
24
19
14
9
4
-1

狭窄を有する被験者(N=25)
狭窄を有さない被験者(N=36)p<0.05

左APG-b

右APG-b

APG-b/a［a.u.］

図 1 APG-b の平均値および標準偏差
2.2
1.8
1.4
1
0.6
0.2
-0.2
-0.6
-1
-1.4

狭窄を有する被験者(N=25)
狭窄を有さない被験者(N=36)p<0.05

左APG-b/a

右APG-b/a

図 2 APG-b/a の平均値および標準偏差24
20

APG-e［a.u.］

1. 緒 言左右上肢の慢性的な 10 [mmHg]以上の最高血
圧差が心血管疾患による死亡リスクと有意に関連していることが Clark らによって報告されている[1]．また，このような血圧差を有する場合には
鎖骨下動脈に狭窄を有している場合が有意に多い[2]が，日常生活でカフ型血圧計を用いて毎日左右上肢の血圧差を測定することは負担が大きい．
そのため，日常生活の中で鎖骨下動脈における狭窄の有無を監視するためには，左右上肢の血圧測定に代わる手法が必要である．そこで本研究では，計測が容易な PPG (Photoplethysmogram)を用いて，鎖骨下動脈に狭窄を有しているか否かの判別を行い，鎖骨下動脈に狭窄を有している場合に医療機関へ連絡を行うクラウドシステムの構築を目
指す．
2. 方 法
本研究では，左右指尖部 PPG を同時計測し，得られた波形の特徴量の左右差から鎖骨下動脈
における狭窄の有無判別を行う手法を検討した．
まず，本研究の第一段階として，本科卒業研究で
左右指尖部で同時計測可能な PPG センサモジュールの製作を行った[3]．
本研究で製作した PPG セ
ンサモジュールに使用した PPG センサは，計測が容易な反射型かつ短波長である緑色光 LED を搭載した BH1790GLC (ローム社)を使用した．
また，本研究の第二段階として，鎖骨下動脈と関連のある PPG の特徴量を特定するための実験を行った．実験では，鎖骨下動脈に狭窄を有さない
被験者群および，鎖骨下動脈に狭窄の疑われる被験者群を対象とし，第一段階で製作した PPG セ
ンサモジュールを用いて左右指尖部の PPG の同時計測および左右上肢の血圧測定を実施した．本
研究の第三段階としては，第二段階で明らかにした特徴量の計測精度の向上を図るために，透過型
PPG センサモジュールの使用を検討した．また，提案手法を実用化する際に，同一個人間で使用することが望ましいのか，異なる個人間での使用することが可能であるのかを検討する為に，同一被験者および異なる被験者で左右指尖部 PPG を計測し，第二段階で明らかとなった特徴量の左右差の変動係数を評価した．また，本研究の第四段階としては，鎖骨下動脈における狭窄の有無判別を行う為の左右指尖部 PPG における閾値を検討した．さらに，医療機関と左右指尖部 PPG の生データおよび計測結果を共有するためのクラウドシステムによって移動が困難な高齢者であって

16

p<0.001

狭窄を有する被験者(N=25)
狭窄を有さない被験者(N=36)

12
8
4
0
-4

左APG-e

右APG-e

図 3 APG-e の平均値および標準偏差2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

APG-e/a［a.u.］

サレジオ工業高等専門学校
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2

p<0.001

左APG-e/a

狭窄を有する被験者(N=25)
狭窄を有さない被験者(N=36)

右APG-e/a

VPG-PPGピーク時間差［sec］

図 4 APG-e/a の平均値および標準偏差0.4
0.3

p<0.001

狭窄を有する被験者(N=25)
狭窄を有さない被験者(N=36)

0.2
0.1
0

左VPG-PPG

右VPG-PPG

ピーク間時間差

ピーク間時間差

図 5 VPG-PPG ピーク間時間差の平均値
および標準偏差

図 1～図 5 に示した特徴量は鎖骨下動脈における狭窄と関連があり，有無判別の指標として有効であると考えられる．また，第三段階として行った実験では，透過型 PPG センサモジュールと反射型 PPG センサモジュールの計測精度の比較を変動係数を用いた．計測は健常な 20 代男性 1 名を対象にそれぞれの PPG センサモジュールにつき各 15 回ずつ連続で計測を行った．その結果，反射型 PPG センサモジュールによる計測結果の変動係数の平均値は，1.06 であり，透過型 PPG セ
ンサモジュールによる計測結果の変動係数の平均値は 1.70 であった．反射型 PPG センサモジュールと比較して透過型 PPG センサモジュールの変動係数が大きかった理由としては，透過型 PPG
センサは指尖部の透過光を計測するため，反射型
PPG センサに比べてより多くの血管の情報を含
むためであると考えられる．したがって，ユーザ
ビリティの観点から，より簡便に計測が可能な反射型 PPG センサを使用することが望ましいと考えられる．また，反射型 PPG センサモジュールを用いて，同一被験者および異なる被験者を対象として計測精度の比較を変動係数を用いて行った．本実験の被験者は，鎖骨下動脈に狭窄を有さない異なる健常な男性 12 名であり，反射型 PPG
センサモジュールを用いて左右指尖部 PPG 計測
および左右上肢の血圧測定を実施した．その結果，
APG-b，APG-e/a，VPG-PPG ピーク間時間において変動係数が異なる被験者間における計測結果の変動係数を下回っていることが明らかとなった．また，特徴量における変動係数の平均値を比較すると，異なる被験者間で得られた計測結果の変動係数は，6.95 であり，同一個人間で得られた
計測結果の変動係数は 3.70 であった．したがって，提案手法は同一個人間で使用することが望ましいと考えられる．また，第四段階として行った，
鎖骨下動脈における狭窄の有無判別を行う為の閾値の検討では，健常な同一個人 (20 代男性 1 名)
‐16‐を対象とし，健常時および，疑似狭窄時 (鎖骨下動脈を指で圧迫した状態)のそれぞれの状態において左右指尖部 PPG 計測および左右上肢での血圧測定を実施した．その結果，第二段階で明らかとなった特徴量のうち VPG-PPG ピーク間時間差においては，健常時で左右差がほぼみられなかったのに対し，疑似狭窄時においては 0.2 [sec]以上の大きな左右差が見られた．しかし，その他の特徴量においては健常時での値のばらつきが大きかった．したがって，VPG-PPG ピーク間時間差に 0.1~0.2 [sec]の閾値を設けることで鎖骨下動脈
における狭窄の有無判別を行う事が可能であると考えられる．
4. クラウドシステム
本研究では，医療機関と計測結果の共有を行う
為に Google Drive を用いたクラウドシステムの開発を行った．開発したクラウドシステムは，第二段階で明らかとなった鎖骨下動脈における狭窄と関連のある左右指尖部 PPG の特徴量および，生データを送信する．送信されたデータは Google
スプレッドシートで確認することが可能である．
また，ファイル名には計測日時および患者 ID を記載することで医療機関側が患者を管理することを可能とした．これにより，移動が困難な高齢者であっても自宅で医師の診断を受けることが可能になると考えられる．
5. 結 言本研究では，一般家庭における手軽な心疾患予防を実現する為に，左右指尖部 PPG の同時計測による鎖骨下動脈における狭窄の有無判別を行
うための手法および，クラウドシステムを開発した．本研究で行った実験の結果，APG-b，APG-b/a，
APG-e，APG-e/a，VPG-PPG ピーク間時間の左右差は鎖骨下動脈における狭窄と関連のある特徴
量である事が明らかとなり，特に VPG-PPG ピー
ク間時間は狭窄を有する場合のみ大きな左右差を示すことが明らかとなった．また，PPG センサにはユーザビリティの観点から反射型 PPG セン
サを用いる事が望ましく，同一個人間で運用することが望ましいことが明らかとなった．これらにより，一般家庭で鎖骨下動脈における狭窄の有無判別を行い，心疾患予防を行うことが可能となる．
文 献[1] Clark CE, R.S. Taylor, Isabella Butcher et al, “Inter-arm
blood pressure difference and mortality: a cohort study inan asymptomatic primary care population at elevatedcardiovascular risk”, British Journal of General Practice,(2016)297[2] Clark CE, R.S. Taylor, A.C. Shore et al, “Association of adifference in systolic blood pressure between arms with
vascular disease and mortality: a systematic review andmeta-analysis”, The Lancet, (2012)905[3] 三宅慶実, 𠮷田慧一郎, “脈波計を用いた心疾患の予防に関する研究”, サレジオ工業高等専門学校卒業論文(2018)3

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

非接触給電における送受電コイル間の異物が給電電力に与える影響
Effect of Exogenous Material between Transmission and Reception Coils
on Power Supply in Wireless Power Transfer
19609 宮田 凱人
指導教員 吉田 将司，米盛 弘信
1. 緒言
た．受電回路の負荷抵抗 R を S-S 方式では 7.5
近年，地球温暖化や大気汚染などの環境問題
Ω，S-P 方式では 180Ωを接続しており，最大電力効率の最適負荷に近い値となっている．直流により，電気自動車(EV)などの走行中に CO2 を安定化電源は 80V に設定した．送電回路の交流
排出しないゼロエミッション車(ZEV)の普及が制御はインバータで行い，インバータ制御では進んでいる[1]．しかし，ガソリン車と比べて航バイポーラ変調とし，スイッチング周波数は EV
続距離が短いという問題がある．ガソリン車のの非接触給電で規格として検討されている
航続距離は平均 600 ㎞であり，EV は平均 300
85kHz に設定した．測定環境は送受電コイル間㎞と航続距離が短い．現在，EV の充電方法とにアクリルケース(h:42mm)を挟み，ケース内にして，電源ケーブルを車の充電口に接続して給異物を入れ，給電実験を行った．パワーアナラ
電するコネクタ給電方式が採用されている．しイザで送受電の有効電力を測定し，電力効率をかし，接続の手間等の問題があるため，安全性算出する．そして，オシロスコープで送受電のや利便性に有利な非接触給電方式が世界中で研
電圧と電流の波形を観測し，送受電電力の波形究されている[2]．日本でも非接触給電の研究がを作成する．
進められており，自動車の走行時や停車時における実用化を目指している[3]．しかし，非接触給電方式には様々な問題がある．問題の一つがC1
C2コネクタ給電方式と比べ，充電に約 2 倍の時間が掛かるという点である[4]．また，送受電コイ
ル間に異物が入り込んだ際に電力効率が低下す
L1
R
L2
DC
る問題がある[5]．
Power
本研究では，非接触給電装置の送受電コイル
Supply
間に異物が入ったとき，電力効率が低下することに着目し，異物の種類や形状などが電力効率
Inverterに与える影響を明らかにするための取り組みを(a) S-S 方式
行っている．先行研究では，異物の大きさを大きくするごとに電力効率が低下することが確認できた[6]．これは，異物に鎖交する磁束量が異C1物の大きさにより変化し，大きくなるごとに反作用磁束の強さが変化したため，電力効率が低
DC
L1
L2
Power
C2 R
下したと考察した．
本研究では，非接触給電装置の受電回路を直 Supply
列共振から並列共振回路に変更し，異物を送受
電コイル間に入れたときの給電実験結果を示す．
Inverter
また，送受電電力と電力効率を比較し，異物が(b) S-P 方式
給電電力へ与える影響を明らかにする．
図 1 非接触給電装置の回路構成
2. 実験方法
図 1 は実験に供した非接触給電装置の回路構
成 を 示 す ． 図 1(a) は ， S-S 方 式 (Series
Resonant-Series Resonant)となっており，(b)はS-P 方式(Series Resonant-Parallel Resonant)となっている．送受電コイル L1，L2 は IH クッキン
グヒータのスパイラルコイルを使用し，コイルと共振するようにコンデンサ C1 と C2 を接続し3. 実験結果
表 1 は，パワーアナライザで測定した各条件
における最大の送受電有効電力と電力効率を示す．図 2 は，オシロスコープで観測した電力波形を示す．図 2(a)は S-S 方式における異物なしの電力波形であり，(b)は S-P 方式における異物なしの電力波形となっている．表 1 より，異物を入れると電力効率が低下しているのを確認で‐17‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

きる．非接触給電装置の回路構成に着目すると
S-S 方式と比べ，S-P 方式は送受電電力が低いことを確認した．しかし，電力効率は S-S 方式より S-P 方式が高いことが分かった．このことか
ら，非接触給電装置の回路構成を変更することにより，共振回路のインピーダンスと電流が変わり，送受電電力が変化したと考えられる．また，S-P 方式の電力効率が高いのは，非接触給電装置の最大電力効率の最適負荷が S-S 方式より，負荷抵抗が近い値のため，電力効率が高かったと考察する．
異物の影響について，S-S 方式では異物なしと鉄粉を入れた状態の電力効率の差が 20.701%，
S-P 方式では 9.478%と電力効率に差が確認できた．このことから，S-S 方式と S-P 方式では共振回路の電流量が変化するので，受電コイルに鎖交する磁束が変化し，給電方式による電力効率の差が発生したと考察する．
また，異物の大きさによる影響では，鉄球：
2mmΦから鉄球：4mmΦへ直径を 1mm ずつ大きくするごとに，電力効率が低下していくことが確認できた．このことから，送電コイルから発生する磁束が異物の大きさにより鎖交する量が変化し，反作用磁束の強さが変化したため，電力効率が低下したと考えられる．

Circuit
Type

S-S
Type

S-P
Type

表 2 各条件の最大送受電有効電力
Transmission Reception
Power
Condition
Power
Power
Efficiency
[W]
[W]
[%]
Nothing161.86106.8366.00

Volcanic
Dust

165.75107.3964.79

Iron Dust

60.08327.21745.299140.7461.68743.830140.0761.12343.637135.9455.96541.169Iron Plate

114.060.028

0.0245

Nothing

90.78475.19182.824

Volcanic
Dust

96.47178.83981.723Iron Dust

67.73449.68073.34685.35858.96069.07485.03557.76467.93085.96555.30164.330107.68

0.042

0.039

Iron Ball: 2mmΦ
Iron Ball: 3mmΦ
Iron Ball: 4mmΦ

Iron Ball: 2mmΦ
Iron Ball: 3mmΦ
Iron Ball: 4mmΦ
Iron Plate

4. 結言
本研究では，非接触給電装置の回路構成を
S-S 方式から S-P 方式に変更して給電実験を行い，
送受電電力と電力効率の変化を明かにした．
実験の結果，S-S 方式と S-P 方式では，送受電
電力と電力効率に違いが生じた．異物の有無に着目すると S-S 方式より S-P 方式の方が異物の有無による影響が小さかった．また，異物の大きさに着目すると異物である鉄球の直径を大きくするにしたがい電力効率が低下することを示した．これは異物に鎖交する磁束の量が増え，反作用磁束が増大するためと考えられる．
文献[1] 尾林秀一, 松下昇久, 石田正明, “電気自動車・電気バ
ス用ワイヤレス充電の実用化を目指す 85kHz 帯ワイ
ヤレス電力伝送技術”,東芝レビューVol.72 No.3(2017)[2] 株式会社 IHI, “ワイヤレス給電システム”[3] 鳥海大輔, 金藤康昭, “走行中非接触給電技術研究について”,建設電気技術 2014 技術集(2014)[4] 株式会社ダイヘン, “電気自動車の給電方式とは?有線
給電とワイヤレス給電について”[5] 漆畑栄一, “EV・PHV 向けワイヤレス給電システムの概 要 ・ 開 発 動 向 と 今 後 の 展 望 ”, 電 子 通 信 情 報 学会,pp.23-26(2012)[6] 宮田凱人，米盛弘信, “非接触給電における送受電コイ
ル間の大きさを変えた異物が給電電力へ与える影響”，
第 12 回大学コンソーシアム八王子学生発表会，概要
集（2020-12）‐18‐(a) S-S 方式(b) S-P 方式
図 2 電力波形

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

PV モジュールから放射するノイズの抑制法に関する研究
A Study on the Suppression Method of Noise Emitted from PV Module
19610 八木 貫太
指導教員 黒木 雄一郎, 米盛 弘信
1. 緒言
近年，様々なエネルギーが消費されている。特に化石燃料の使用割合は高く，エネルギーの変換過程において，環境問題を引き起こしている。これらの問題から，再生可能エネルギーが注目を浴
び，太陽電池(以下 PV モジュール)の研究が盛んに行われている[1]。一方，PV モジュールから放射される電磁ノイズが AM ラジオ帯(526.5～
1606.5kHz)に干渉する問題が報告されている[2]。
当該問題では，PV モジュールの面積が拡大する
ことによって，放射するノイズも増大していく傾向がみられる[3]。本研究室では，放射されるノイズの抑制法を検討している。筆者らが提案する抑制装置は，図 1 のように PV モジュールの裏面へ
バスバーに沿った形でノイズ相殺用の閉ループ線を配置している。この線を抑制線と呼称する。
先行研究では，PV モジュール裏面に，高周波特性に優れるリッツ線を抑制線として使用した抑制装置を提案し，電磁誘導を利用するノイズ抑制法が有効であることを報告した[4,5,6]。しかし，
この抑制装置は，リッツ線同士の隙間が生じることや，抑制に寄与する磁界の一部が PV モジュー
ルに届かない問題が生じた。そこで，リッツ線に代わる新たな抑制装置として，銅板を用いたフラット型抑制装置を提案する。
本研究では，フラット型抑制装置の磁界強度抑制効果及び，抑制線を多段にした際の抑制効果を明らかにした。
2. 実験方法
以下の①②を測定し，①で得た値から②で得た値を減算することで PV モジュール表面から発するノイズを明らかにする。
① PV モジュール表面から放射されるノイズ② 発電していない際の空間ノイズ
その後(1)式及び(2)式を用いて抑制値及び抑制率を算出する。
HDEC =HAVEα -HAVEβ [A/m] ・・・(1)
S=

HDEC
HAVEα

×100[%]

リッツ線 4 本分の幅と一致させて比較を行った。
銅板を採用した理由として，リッツ線では抑制線同士に隙間が生じることや直径が大きく，磁界がPV モジュールに寄与しない可能性があった。しかし，銅板を用いることで隙間が無くなるため，磁界の密度を高められ PV モジュールとの距離が短くなるため，諸問題を改善できると考えられる。
測定は，15W の PV モジュール表面を縦に 5 点，
横に 10 点割り振り，その交点である 50 点を対象とした。作製した抑制線に周波数固定の降圧チョッパ回路を接続してスイッチング動作を行い，ノイズの抑制効果を確認した。本実験では抑制線の段数を 1～4 段とし，各本数で測定を行った。

図 1 抑制装置の配置

図 2 銅板を用いたフラット型抑制装置

・・・(2)

ただし，HDEC：磁界抑制値，HAVEα：平均磁界
強度 α (抑制前)，HAVEβ：平均磁界強度 β (抑制後)，
S：抑制率とする。
図 2，3 に本実験で用いた抑制装置を示す。従来の抑制装置では，リッツ線 4 本を 2 段組みにしていたが，本研究では図 2 のように銅板の横幅を図 3 フラット型抑制装置の寸法‐19‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

3. 結 果図 4 は抑制装置のノイズ相殺要素に銅板を採用した場合における PV モジュール表面上の磁界強度分布である。ノイズ相殺用の抑制線を設置していない(a)の平均磁界強度は 0.615A/m であったのに対して，銅板を 1 段重ねた(b)の平均磁界強度は 0.407A/m であった。そのため，銅板を用いたフラット型抑制装置でも磁界強度の低減が確認できた。また，銅板を 2 段重ねた(c)の平均磁界
強度は 0.493A/m であり，銅板を 3 段重ねた(d)の平均磁界強度は 0.312A/m であった。このことか
ら抑制線を多段にすることによって抑制効果が向上する傾向がある可能性が高いといえる。しかし，抑制装置の平滑性に課題があり，バスバーへ寄与する磁界に高低差が生じた部分がある。先行研究で用いていたリッツ線を用いた抑制装置と比較すると，リッツ線 4 本を巻いた場合の抑制率
が 9.91%であったのに対して，銅板を 3 段重ねた抑制装置の抑制率は 49.3%であった。
以上のことより、銅板を用いたフラット型抑制
装置は PV モジュールから放射するノイズの抑制に有効であり前抑制法と比べて実用的といえる。
4. 結言
本研究では，フラット型抑制装置の磁界強度抑制効果を明らかにした。また，抑制線段数を増やした際の抑制効果について検討を行った。結果として，フラット型抑制装置を用いた場合の磁界強度低減が確認できた。また，磁界抑制率が最大で49.3%であることがわかった。すなわち，先行研
究で提案したリッツ線を用いた抑制装置に比べ抑制効果が高いことが確認できた。

(a) 抑制なし(b) 抑制線 1 段

文献[1] 経済産業省資源エネルギー庁：「なっとく！再生可能エネルギー」，
https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/saiene/index.html，2019，(2020/1/26)閲覧[2] 鶴田靖孝，奥山純生，濵野陽一，‟AM ラジオへの PCS
ノイズ障害対策”，2018 年（第 36 回）電気設備学会全国大会講演論文集，pp.369-370 (2018)[3] 堤淳祥，原田和郎，石原好之，‟DC-DC コンバータ接続時における太陽電池パネルの放射ノイズ特性”，電子情報通信学会，pp.39-44(2000)[4] 伊藤開，米盛弘信，‟PV モジュール表面における磁界
強度分布の解明”，2016 年（第 34 回）電気設備学会全国大会講演論文集，pp.47-48 (2016)[5] 八木貫太，米盛弘信，‟PV モジュール表面より放射す
るノイズ抑制の検討” 2019 年（第 37 回）電気設備学会全国大会講演論文集，pp.491-492 (2019)[6] 八木貫太，米盛弘信，“太陽光発電モジュールを対象としたノイズ抑制法におけるリッツ線の活用”，2020
年（第 32 回）「電磁力関連のダイナミクス」シンポ
ジウム，P.143-148（2020-05）(c) 抑制線 2 段(d) 抑制線 3 段
図 4 銅板を用いたフラット型抑制装置の磁界強度分布‐20‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

道路を流れる交通量を需要とする施設の配置を決定する数理モデ
ルとその解法の研究
A Study on Mathematical Models and Solution Method Determining Placement of Facilities for
Traffic Flow on Road Network
19611 吉村 望
指導教員 山野辺 基雄，島川 陽一
1. はじめに本研究では交通流捕捉型施設配置問題を数理
計画法のひとつである 0-1 整数計画問題として定式化を行い数理計画法で解く．この問題は道路を流れる交通量を需要とする施設の配置を道路ネットワーク上で決める問題で，ガソリンス
タンドやコンビニエンスストアが該当する．この結果を近似解法である Greedy アルゴリズムとメタ解法のひとつである遺伝的アルゴリズム
で解きその結果と精度の比較行う．

3. 最短経路数え上げ問題の概要
本研究では最短経路数え上げ問題を解くこと
により各リンクの交通量を求めている．この問
題は始点ノードから終点ノードまでの最短経路問題を解き，各リンクを通過する経路の本数を求める問題である．
4 ノード，5 リンクの小規模ネットワークを用いて説明を行う．

2. 定式化道路ネットワークはグラフで与える．交差点
や T 字路など道路幹線が接続する部分をノード，
道路幹線部分をリンクとして与える．この道路
ネットワークのリンクに施設が配置されると仮定する．リンクを流れる交通をそのリンクに配置される施設が得る需要とし，できる限り少ない施設で得られる交通量を最大にする問題を交通流捕捉型施設配置問題という．この問題は以下のように定式化される．
Maximize:(1)
subject to:
(2)
∑

(3)

{
}
(4)
ここで は決定変数で施設の配置されるリン
ク， は配置される施設数， は経路別の流量，は施設を配置するリンクの候補の個数を示す．
決定変数が 0-1 に値を限定されることからこの定式は 0-1 整数計画問題となっている．
目的関数(1)は捕捉される流量の最大化を表している．制約条件(2)は，交通量が捕捉されていれば 1，
そうでなければ 0 のベクトルである．
ここで が 0-1 変数であることには注意を要す
る．各リンクの交通量は起終点間の経路別交通量 で与えられているので， は 1 度以上捕捉しても 1 回しか捕捉回数を数えない．つまり，交通量は重複して集計されないことになる．(3)は配置する施設数，(4)は と の値は 0 か 1 である
ことを示している．

‐21‐

図 1 説明用ネットワーク

英字をノード番号，黒字をリンクに与えられた値をコスト，囲まれた数字をリンクの通行回数とする．始点を A，終点を B としたときのリ
ンク通行回数を求める．このとき A から B へ行
く最短経路は枝(A，B)となり，このルートのリ
ンクの通行回数が加算される．始点 A，終点 Cとしたときの最短経路は B を経由して C へ行く
経路になる．枝(A，B)，(B，C)の通行回数を加算する．
本研究では全ノード間で交通が発生すると仮定し，最短経路の数え上げを行う．数え上げられた通行回数を各リンクの流量とする．
4. 遺伝的アルゴリズムによる求解法
遺伝的アルゴリズム(以下 GA)はメタ解法のひとつで大規模な組合せ最適化問題を解く方法として知られている．GA は生物の進化のアナロジーで解を提案する解法である．図 2 に GAの計算手順を示す．

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

じ値になっていく．同じ個体が母集団を占めていくものと考えられる適合度は最適解とほぼ同じ値をとっている．
図 4，図 5 に数理計画法と Greedy アルゴリズ
ムの計算時間の変化を示す．

図 2 GA の計算手順

遺伝子を生成し，交叉，突然変異，エリートとの交換を行い子世代の生成をしていくことで解を改善していく．遺伝子ベクトルを施設の配置されるリンクベクトル とみなして図 2 に示した遺伝子操作を行う．(4)の交叉で制約条件(3)を守るように実行されることにより複数の配置案が得られる点がこのアルゴリズムによる求解の特色である．

図45. 数値計算の結果
本研究では道路ネットワークデータは東京特別区の緊急輸送道路[3]を使用する．このデータ
は国土交通省の Web ページで数値地図情報として公開されている．道路種別には高速道路，
国道，主要地方道，市道がデジタル地図データとして含まれている．本研究で使用するネット
ワークは 1703 ノード 5531 リンクのネットワー
クである．
本稿では配置数 4 の場合について解析を行う．
各パラメータ，配置数を変化させた場合については本論文を参照してほしい．以下の表 1 にそれぞれの方法での結果を示す．
表 1 最適解[台]数理計画法Greedy75,53675,536
63,76863,76863,65663,656
61,32061,320264,280
264,280

リンク 1
リンク 2
リンク 3
リンク 4
捕捉流量

GA
75,536
63,76863,56
61,320264,280

目的関数の値

200
100
0
図3

世代 200

6. おわりに
本稿では交通流補足型施設配置問題を 0-1 整数計画法で定式化を行い数理計画法で解き，Greedy アルゴリズム，GA による解の比較を行った．どの手法も示した解は同じとなった． 実
際の道路では国道 1 号線や国道 20 号線の幹線道路を捕捉している．妥当な結果だといえる．
献[1] Hodgson, M J., Rosing, K E., Leontien, A. and Storrier, G.,“Applying the flow-capturing location-allocation model toan authentic network: Edmonton, Canada”, European
Journal of Operational Research, 90(3), pp.427-443, 1996.
[2] H.Goto, Y.Kakimoto, Y.Shimakawa, “Lightweightcomputation of overlaid traffic flows by shortest
origin-destination trips”, IEICE Transactions on
Fundamentals of Electronics, Communications andComputer Science, Vol. E102-A, No.1, pp. 320–323, Jun
2019.
[3] http://nlftp.mlit.go.jp/ksj/gml/datalist/KsjTmplt-N10.html，“国土数値情報緊急輸送道路-GIS ホームページ-国土交通省”，2018 年 12 月 3 日

300

100

Greedy アルゴリズム 計算時間の変化

回 帰 分 析 を 行 っ た 結 果 ， 数 理 計 画法 で は， Greedy ア ル ゴ リ ズ ム で はとなった．Greedy アルゴリズム
は数理計画法の約 1/100 の時間で解を求めることができる．

文

図 3 に適合度の変化を示す．

0

図5

数理計画法 計算時間の変化

300

GA の各世代における目的関数の変化

世代が進むにしたがって遺伝子は最適解と同‐22‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

2020年度

デザイン学科

卒業研究

テーマ一覧

学籍番号

学生氏名

テーマ（和文）

16201

秋本 美里

環境に配慮したコスメパッケージ

16202

井口 萌

日本の文化を理解するために～神道に根ざす生活文化～

16203

井上 七海

木葉天目に残す土地の記憶

16205

梅木 千夏

子供の性教育について

16206

大澤 瑳希子

在宅ワークを快適にする椅子

16207

大友 優希

47都道府県を遊びながら学習できるカードゲーム

16208

小縣 茉以

初めて触れる簡易楽器の製作

16209

小俣 美優

楽しく認知症予防をするためのアナログ遊具

16211

加來 夢穂

判じ絵を活用した日本語の見直し～日本の伝統と娯楽に触れながら敬語の見直しを図る～

16212

金澤 りん

ゴミのアップサイクル

16213

金子 花菜

日本酒文化の理解 ～現代の若者に日本の良き伝統文化である「日本酒」に触れてもら
う～

16215

工藤 秀斗

自己肯定感を高めるアイテム

16219

小山 享佑

感染症を防ぐための手洗いグッズ

16220

酒井 真梨乃高齢者が快適に生活するためのデザイン

16221

坂口 鈴夏

高齢者の日常生活をサポートするデザイン

16222

櫻井 詠大

EV環境と組み合わせた車中泊避難のためのグッズ

16223

佐藤 玄弥

読書習慣を身につけるための空間

16224

瀬川 力暉

学生を対象とした環境問題学習

16225

髙田 麻以

ストレスを解消するためのツール:楽しく集める旅日記シール

16226

田丸 未来

料理をより簡単にするレシピ本

2020年度

デザイン学科

卒業研究

テーマ一覧

学籍番号

学生氏名

テーマ（和文）

16229

中村 春香

睡眠不足解消を促すツール

16230

西村 雄也

車椅子利用者のためのモビリティ

16231

野口 主麿

蚕と生活を繋ぐデザイン

16232

広城 龍之介バイカーのための熱中症対策

16233

細谷 瑠香

廃棄となる花を使用した雑貨店のブランディング

16234

牧薗 愛結

和歌を想像して楽しむカードゲーム

16235

宮坂 侑奈

フォトアルバムによる家族のコミュニケーション

16236

宮崎 元太

ネット世代の親子への注意喚起に関する研究

16238

安江 樹

日本製品をわかりやすくするピクトグラム

16239

栁澤 玲美

アフターコロナ社会で円滑なコミュニケーションを築く新しいオフィス空間

16240

山口 陽楓

新しい暮らし方へ繋がる家

16243

渡邊 美優

癒し効果を取り入れた団扇サレジオ工業高等専門学校

環境に配慮したコスメパッケージ
Environment-friendly Cosmetic Package
16201 秋本 美里
指導教員 谷上 欣也
1.研究目的
近年、SDGs の項目に掲げられているように、豊かな海を守る為にはプラスチックごみの削減が求められている。特に化粧品の容器等は分別が難
しく、中身の洗浄など手間がかかる事や使い切らずに捨てる事が多い点に着目した。そこで、より環境に配慮したコスメのパッケージの提案を研究の目的とする。

4. 最終提案
本研究作品では、使い捨てを減らすためにリフィルを別売りで販売して金皿を外して詰め替えが可能な仕様になっている。コスメの使用期限内に使い切れるように容量を少なめにした為、洗浄の手間を省けると考えた。素材はプラスチック以外を使用し、ケース本体は単一素材で統一する為に蓋をスライド式のギミックにして金具を用いず分別がしやすい工夫をした。３つのコスメを一体化させることでポーチの中で擦れてパッケー
ジが劣化するのを防ぐ。（図１）2. 調査内容
2.1 プラスチックゴミの内訳
ゴミステーションに排出されたプラスチック
ごみのうち、６割が容器包装である。逆に PET ボ
トルは全体のおよそ２割程度であり、プラスチッ
ク製容器包装がごみとして排出される割合の方が高い事がわかる[1]。
2.2 容器包装のリサイクル率
公益財団法人日本容器包装リサイクル協会によるデータより、ペットボトルのリサイクル率が84.6%に対して、容器包装は 45.4％と低い数値になっている[2]。
2.3 現状調査と分析
化粧品メーカーでも脱プラに関する取り組みは多く存在しており、新たにプラスチックに代わる素材を作ることは困難だが、既存の素材に工夫をしたり、中身の状態を変える事で新たなパッケージを考案することが可能である[3][4]。

図1

3. コンセプトおよびアイデア展開
プラスチックは、リサイクルできずに海に流れてしまう事や、思っている以上にリサイクル率が低い事が大きな問題になっている。正しくリサイ
クルができ、「使い捨て」を減らすというのも解決策の１つであると考えた。特に化粧品は分別が難しい事が大きな原因となる。そこで、コンセプ
トを「繰り返し使えて、分別しやすい」とする。
アイデアは、初心者向けに気になる部分を隠したり顔の印象を少し良くしたりナチュラルメイ
ク用の化粧品でコスメ３点（リップ・コンシーラ
ー・アイブロウ）を想定して展開する。気分でカラーを変える事が多いリップはケースから中身を取り外して交換できるもの、コンシーラーは固形またはクリームタイプのものでアイブロウはパウダーを想定する。SDGs の項目であるジェン
ダー平等の実現の観点から、男女ともに使用できるようなシンプルなデザインで展開する。

‐23‐

最終モデル

5. 結論
実際にターゲットである 17～22 歳の男女に使用してもらい検証を行ったところ、「詰め替えが簡単にできる為、捨てる際も分別もしやすい」、「男性でも持ち歩きやすいし使ってみたい」といった意見をいただき、分別やジェンダーの問題が解決できた。しかし、使用に関して「ブラシがついているとよかった」という意見があった。商品化する際には対応するリフィルの検討や内容、色についての再考も必要だと考えられる。
文

献[1] 環境省 実態調査の概要
https://www.env.go.jp/recycle/yoki/c_2_research/ research_R01.html（参照-2020-06-19）[2] 公益財団法人 日本容器包装リサイクル協会
https://www.jcpra.or.jp（参照-2020-06-30）[3] 朝日新聞デジタル 紙製容器開発
https://www.asahi.com/articles/ASM2P446KM2PPLF
A001.html（参照-2020-07-10）[4] 日本経済新聞 持続可能な口紅
https://www.nikkei.com/article/DGXMZO55288480V
00C20A2000000/（参照-2020-07-10）

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

日本の文化を理解するために〜神道に根ざす生活文化〜
Understanding Japanese Culture: A Life-Culture Rooted in Shintoism
16202 井口 萌
指導教員 氏家 和彦
3.アイデア展開
若者に神道由来の行事に関心を得るためにはどのようなツールが適しているか検討した。主に、年中行事に関する情報を組み込みやすい印刷物に焦点を当て、カレンダー、カードゲーム、カプ
セルトイなどを検討した結果、玩具市場の中でも新分野の成長市場として期待されているカプセ
ルトイが適していると判断した。また、近年ではカプセルトイを地元復興のツールとして販売していたケースもあり、神道行事に因んだ提案物にすることで、ただ情報を載せるだけに比べ、若者に親しみやすいツールになると考えている。
4.最終提案物
最終提案物はミニフィギュア入りのカプセルトイである。フィギュア（図3）の外観は神使の中でも人気の高い兎を選択し、おもちを彷彿させるような形状を意識している。四季ごとに3種類ずつ発売していき、計12種類を発売予定である。
今回は神道行事の周知と親しみやすさの向上を目的としているので、説明書には各行事の由来や説明、豆知識などを記載する。また、四季に合わ
せて発売することで、日本の文化と神道行事のつながりも感じてもらうことができると考えている。（図4）

1.研究目的日本人は自国の宗教観への理解度が低く、自分は無宗教だと考えている傾向がある。原因の一つとして他国に比べ、自国の宗教観について意識を向ける機会が少ないことがあげられる。世界的にも多様性の理解や国際化が進む中で、自国の宗教観について再認識することは必須であると言える。そこで、日本の宗教観である神道由来の行事に着目することで、日本人の宗教観や個性を再認識する機会を作る。
2.調査内容神道とは、神社を中心とした日本の神々への信仰であり、自然の中に神々の動きを感知し、自然物に神が宿るものとして祀ったことから始まった。また、神々への信仰が形になったものが「祭事」や「行事」である。神道とは日本人の考え方の由来であり、古代から培われてきた日本人の優れた知恵や価値観が積み重なり生まれた宗教観だ。次に、神道以外も含めた年中行事への関心度
について調査した。（図1）
アンケート対象者8,197名中、行事に力を入れている家庭は20%以下であり、何もしていないと回答されているものの多くは神道由来の行事であることがわかる。これを受け、神道行事の存続
希望について調査を行った。（図2）

図3
図1

関心度調査

図2

存続希望調査商品パッケージ

図4

最終提案物

参考文献

全国の男女に向けて行われた次世代に残したい年間行事についての調査では、720 名がアンケートに応じ、そのうちの半数以上が次世代に残したい行事に「初詣」、「お盆」、「節分」など神
道由来の行事を挙げている。また、宗教リテラシ
ーを身につける授業開発に関する研究によると、自国の宗教観に関する授業を行ったことによって、日本人一般の宗教観や文化を見つめ直すことができ、宗教を信仰する気持ちがわかると答えた
生徒が増えた。授業を通して、日本人は特定の宗教を持たないため、宗教に対して寛容になれると考える生徒もいたことから、寛容な心を身につけることもできたと記載されている。
‐24‐[1] 神社本庁：神道への誘い
https://www.jinjahoncho.or.jp/shinto/shinto_izanai[2] ネットリサーチ：「季節行事・年中行事」に関するアンケート(2020/06/22)
https://www.dims.ne.jp/timelyresearch/2013/13022
0/[3] かんでんCSフォーラム(2020/06/22)
http://www.kcsf.co.jp/marketing/pr09.html[4] 宗教リテラシーを身につける授業の開発―宗教知識を活用する場面を想定したマンガ教材―
川瀬寧々 千葉大学大学院教育学研究科修士課程（2019）[5]渋谷経済新聞：「ガチャガチャ」市場について
https://www.shibukei.com/special/79/

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

木葉天目に残す土地の記憶
Konoha Tenmoku: Memory of the Land
16203 井上 七海
指導教員 西野 隆司
1. はじめに
東洋陶磁美術館で重要文化財の木葉天目を見かけ、その技法や自然由来の釉薬に興味を持った。
プラスチックごみ問題が年々深刻化している中で、自然由来の素材を用いた食器の魅力を改めて世に広めることが必要であると考えた。季節や土地特有の葉を使用することで器に付加価値を与えること、また、失われつつある技法の確立による文化の継承を目的とする。
2. 方法
初めに、木葉天目の発祥と歴史について調べた。
そもそも「天目」とは日本で使われる言葉で、鎌倉時代、中国に留学していた僧侶が天目山の禅院から持ち帰った茶碗に由来すると言われている。
その天目山で使用されていた茶器の黒釉（黒天目釉）の色と器形を天目と呼んだ[1]。
木葉天目は天目茶碗のうちのひとつであるがその発祥は少し異なり、天目茶碗は中国福建省の建窯を中心に作られていたのに対し、木葉天目は
江西省の吉州窯で作られていた。しかし、宋王朝の滅亡とともに木葉天目の技術も滅亡し、現代まで「幻の技術」とされていた[2]。
次に、植物等を用いた焼き物について調べた。
岡山県備前市周辺を産地とする焼き物に、「備前焼」がある。その中の一つである「緋襷（ひだすき）」は、素地に藁を巻いて焼く技法で、薄茶色に焼ける素地に対して、藁が当たった箇所のみ緋
色に変化する。
また、「自然灰釉」と呼ばれる野菜や花を用いた釉薬も存在している。処分されてしまうはずの野菜の活用など、社会問題の解決に貢献できる可能性は十分に考えられる[3]。
最後に、実際に木葉天目の制作を行った。複数の釉薬と葉を使用し結果を比較することで、技法を確立するという方法を用いた。以下に制作の手順を記す。
手順① 平皿の制作(並信楽を使用)② 素焼き(600 度で焼成)③ 釉薬をかける④ 本焼き(1230 度で再焼成)⑤ 皿の表面に葉を置く⑥ 皿を重ね 600 度で焼成(初期はアルミホイルと重石を使用)⑦ 重ねた皿を広げ 1230 度で焼成

‐25‐

3. 結果
最初に用いた 7 種類の釉薬のうち、葉の姿が比較的明瞭に残った 3 種類の釉薬(吉州洋風黒天目、黒天目、益子黒釉)を用いて試作を進めた。約 100枚の試作品を制作していく中で、葉の姿をより明瞭に残す条件として① 釉薬を厚めにかけること② ケイ素を多く含む葉を使用すること③ 大きく平らな葉を使用すること④ 重石等で葉に圧をかけすぎないこと
以上 4 点が極めて重要であることがわかった。

図 1.初制作と最終制作の比較

また、葉だけでなく野菜(レンコン、ニンニクの皮、タマネギの皮)や果物(ミカンの皮)でも試作を行った。明瞭な姿が残ることはなかったが、同じ釉薬を用いてもレンコンとニンニクの葉では焼成後の発色が異なるという興味深い結果が得られた。これは、それぞれに含まれるケ
イ素量が異なることで生じる現象である。

図 2.ケイ素含有量による発色の違い

4. まとめ
木葉天目の制作手順をまとめた資料を作成した。学校に参考資料として残し、この研究で確立した技法を後輩に受け継ぎたい。
5. 今後の予定
例年本校で行っている体験入学で、中学生を対象に木葉天目の制作体験を実施したい。また、地域の葉を用いてふるさと納税の返礼品としての展開も考えている。
参考文献[1] 原田隆峰, “木葉天目の謎”, 書肆侃侃房, 2011[2] 保田勝久, “木の葉天目とは？”, 作陶の世界
2003 年 2 月 15 日更新（最終閲覧日：2020 年 10 月 19 日）
http://www.squest.co.jp/satomi/index.html[3] 北川八郎, “自然灰釉の作り方”, 理工学社, 20102020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

子供の性教育について
Sex Education for Children
16205 梅木 千夏
指導教員 李 盛姫
1. 研究背景と目的
日本や世界の性教育についての論文・資料を調査した結果、「遅くとも 5 歳から性教育を始める
べき」「性教育が進んでいる国では家庭に性の話題があたりまえにある」ことが分かった[1][2]。また、それにより中高生の中絶率が低下した結果がある[2]。現在、日本では性教育を始める年齢が欧
米諸国より遅れており、高校生の性知識の認知度は極めて低い[3]。
国内家庭での性教育実態調査のため、子供（年齢問わず）を持つ親にアンケートを実施した。ほぼ全ての親が性教育は大切と回答した。しかし、その過半数は「恥ずかしい」「どう教えればよいかわからない」「自然に知ると思っていた」、な
どの理由で性教育を実施しなかったと答えた。一
方、性教育を行った親の中には、親自身も正確な知識を習得する機会がなかった点や、教える内容
や始める適齢がわからない点など、子供に正しい性教育を行うのに問題点を抱えていた[4]。
以上のことから、親の教える不安をなくし、親子に正しい性知識を習得してもらい、家庭の中で性の話題が当たり前になることを最終目的とする。
2. コンセプト及びアイディア展開「親も子も安心して一緒に学べる」をコンセプ
トに設定した。ターゲットユーザーは、5 歳から羞恥心が生まれてくる研究結果より 5 歳未満の子供で、外との関りが増えてくる時期である 3 歳の子供と、その親に設定する[5]。
正しい性知識を学んでもらうため、反復して学べるドリル形式として展開する。ドリルは、子供が自発的に楽しく取り組めるため、貼ったり動かしたり出来る、仕掛け絵本タイプの新しいドリルとする。また、親の教える不安をなくすため、ドリルの他に教える際のポイントや注意点を載せる「ヘルプペアレンツ」サイトを展開する。
これまでを踏まえた試作を養護教諭にヒアリングを行った。試作段階では、各ページの役割が分からない、内容が多すぎるとの意見があった。
3. 最終提案物
最終提案物は、親も子も安心して一緒に学べる
性教育のドリル、『守ろう！あなたの身体！― 3
さいから始めよう、身体のドリル！』と教える不安を解消！お悩み解決の補助サイト、『ヘルプペアレンツ』の 2 つである。
ドリルの構成は、正しい知識を習得させるため、「知る→学ぶ→遊ぶ→確認」の 4 段階に分けた内‐26‐

容にし、3 歳でも理解出来るようにした。また、親子の間で会話が生まれるよう、遊ぶ、確認の段
階では質問形式となっている。
サイトは、ドリルの段階ごとに伝えるべき内容を掲載している。ドリルの大きさは子供の手でも持ちやすい大きさに設定した。A5 サイズのペー
ジ数は、全部で 26 ページである。その内、6 ページはシールを貼る、マジックテープを剥がす、動かすという仕掛けがある。4 段階の構成が伝わりやすいように、ページの見出しになる部分には段階ごとに色分けし、分かりやすさと見やすさを重視した。

図 1 提案物のドリル（上段）とサイト（下段）4. 結論
提案物の検証結果、養護教諭からは「わかりやすい」「抵抗感なく読み進められる」など、評価を頂いた。
性教育は幼児期から思春期まで続いていく必要があるため、年齢別のドリル提案が望ましい。
また、将来的は家庭での性教育の他に、教育機関
においても早期の性教育に積極的に取り組むことで、本来あるべき性教育の姿に近づいていくと考える。
文献[1] “国際セクシュアリティガイダンス”
https://en.unesco.org/news/urges-comprehensiveapproach-sexuality-education (2020.08.11/13:37)[2] “はじめてからだなび”
https://jp.sofygirls.com/ja/family/puberty/young_gender_0
1.html (2020.06.24/10;35)[3] “NPO 法人 PILCON ”
file:///C:/Users/s16205/Desktop/6a90f1cd42dd5ae984e065
c5fa6675ca-2%20(1).pdf (2020.07.27/15:05)[4] “第 12 回大学コンソーシアム八王子学生発表会”
fhttps://gakuen-hachioji.jp/wp-content/themes/cuh/
images/presentationpdf/2020/2020_P121.pdf(2020.12.6/14:00)[5] “よくわかる子どもの精神保健”,株式会社ミネルヴ
ァ書房(2021.01.30/11:00)

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

在宅ワークを快適にする椅子
Comfortable Work-from-Home Chair
16206 大澤 瑳希子
指導教員 比留間 真
1.研究目的コロナウイルスの影響で在宅ワークをする人が増え、改めて在宅ワーク中の過ごし方が見直されている。本研究では椅子を通して在宅ワー
ク中の問題点について考え、解決することを目的とする。
2.調査分析
⑴在宅ワークの現状
在宅ワーク中の問題点については「仕事のオン
オフの切り替えがしづらい」というものが一番多くあげられた。在宅ワーク中に感じた不調については長時間同じ姿勢でいることから肩こり・腰痛が最も多くあげられている。
⑵デスクワーク中の椅子の座り方
デスクワーク中に多い座り方には「背中を丸めている」「脚を組んで前かがみになっている」「もぐりこみ」がある。これらの座り方は骨盤が後ろに倒れこむため肩こりや腰痛が起きやすくなる。
⑶肩こりや腰痛を改善するストレッチ
ストレッチには、肩こりや腰痛を緩和させる以外にリラクゼーション効果をもたらす働きがある。座りながら後ろで腕を組み、胸を張り背中を揺するイメージで伸ばす姿勢が有効である。
3.コンセプトおよびデザイン展開「オンオフの切り替えができる椅子」をコンセプトに、椅子に座る向きや姿勢を変えることで問題点の解決を目指し、オンの時とオフの時にそれぞれ適した座り方ができるように設計した(図 1)。いろいろな方向から体重がかかるため側面の板には強度の高いシナ合板を使用し、座面の形状や質感およびサイズは、椅子を回転させても座れるよう十分に配慮した。
オン：在宅ワーク時の使用
骨盤が立っている座り方は肩こりや腰痛が起こ
りにくく、また、スタンディングデスクを導入する企業が増えている。このことから、ストレッチポールの上に座るストレッチを参考にし、ポール状の座面に座ることで骨盤を立てやすくした(図 2 左上)。座る向きをかえるとスタンディングデスク用としてもつかうことができる(図 2 右上)。
オフ：ストレッチ、読書等の気分転換時に使用
肩こりや腰痛が起きやすいという問題点には、椅子を倒すことで胸を張るストレッチができるようにした(図 2 左下)。座る向きを変えると肘をついて読書をすることができる(図 2 右下)。

4.最終提案

図 1.完成品

図 2.座り方(上段:オン、下段:オフ)

5.結論および今後の展開制作した椅子の対象と考える第三者に見てもらい、意見をもらった。評価された点としては、一つの椅子でいろいろな座り方ができることや座面の硬さが丁度いい、座面がフィットするということが挙げられた。問題点としては、身長が大きすぎたり小さすぎたりする人には使いにくいことが挙げられた。今後商品化する場合は、問題点を改善し、体格に合わせてサイズを展開
していく方向性で考えている。
文献[1] “座る”を考え直す-椅子の生活に革新的なデザイン
Peter Opsvik・著 2009 年 12 月産調出版社株式会社[2] おもしろサイエンス椅子の科学.心地よい椅子を科学する会・編著 2009 年 4 月日刊工業新聞社[3] OMRON All for Heaalthcare テレワークとなった働き
世代 1,000 人へ緊急アンケート
https://www.healthcare.omron.co.jp/corp/news2020/0428.
html(参照 2020-10-19)[4] ヘルスケア UP 健康づくり腰痛や肩こりは「座り方」
が原因 1 分ストレッチ
https://style.niikkei.com/article/dgxkzo17181300R00C176
W10602(参照 2020-10-19)‐27‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

47 都道府県を遊びながら学習できるカードゲーム
Learning Japan's the 47 Prefectures Card Game
16207 大友 優希
指導教員 西野 隆司
1. はじめに小学 3 年生である妹が社会科の都道府県の学習に手間取っていたことから本研究を始める。帝国書院が行った都道府県の認知度調査からも、理解度が十分でないことが分かる［1］。この結果は文部科学省が定める学習指導要領の目標を達成していないことになる。
デザインで学習の質を高めることを目的とし、都道府県の位置と名称を楽しんで覚えてもらうためのカードゲームの提案を行う［2］。
2. 方法
小学校中学年をターゲットにした学習型カー
ドゲームを制作する。文部科学省が定める学習指導要領では、「都道府県の位置と名称を覚える」
こと、名称に使用する漢字も 4 年生までに覚えることを指標としている［2］。また、帝国書院のアンケートからの考察で都道府県を覚えるために、その県のイメージづくりを丹念に行うことを推奨している［3］。帝国書院が実施したものと同様のアンケートを行ったところ、訪れたことのある都道府県の正答率が高いという結果が出た。
このように連想的な事項で結びついた知識は忘れにくいことが読み取れる。これらを踏まえ、都道府県の名称とイメージを掴むためのイラストを掛け合わせたロゴデザインをメインビジュア
ルとするカードゲームを提案する。
◆カードサイズ：W:148.5ｍｍ H：85ｍｍ
小学校の授業で使用してもらうことを想定し、4 つの机を班の形にした時に 47 枚のカードを並べることができるサイズにする。
オンボーディング（ユーザーに対してのハード
ル）を下げるために、八地方区分でカードの色分けを行う［4］。これは、カードゲームに親しみを持ってもらう狙いがある。認知度が低い県を覚えてもらうための工夫として、難易度を表す星を表示する。学習の質を高めることを目的としているが、カードゲームとして楽しんでもらうためにもキャッチーな絵柄にした。
3. 結果
小学 3 年生の妹に、カードゲームを体験してもらうことを検証とする。カードのイラストを見て、「これは〇〇でしょ」 と興味を示してもらうことができた。八地方区分の色分けやイラストをヒントにゲームを進めることができ初心者にも参加しやすいゲームになった。5 歳の妹にも体験してもらったところ、イラストを眺めたり、紙芝居のようにして遊んでいた。また、妹たちに「色塗‐28‐

りがしたい」と言われたため、塗り絵バージョンも制作した。塗り絵をすることで、名称とイラス
トに向き合う時間が増えること、自分で制作する体験ができることから、より記憶に残ることが期待できる。
カードゲームは何度も遊ぶことができ、繰り返し学習することができる。また、競うことで、相手に勝つためにより多くの知識を覚えられる期待ができる。

図 1 検証の様子

4. まとめ都道府県の位置と名称を覚えることは、地域社会に対する誇りと愛情、地域社会の一員としての自覚を養うことにつながる。このカードゲームを通して、子どもたちの人生が豊かになる期待ができる。
文字とイラストを掛け合わせるデザインは、小学校の社会科の学習である都道府県についてだ
けではなく、さまざまな学習において応用することが可能である。今後の展望として、ことわざや四字熟語語の学習等にも応用し ていきたいと考える。 学習の質を高めることで、子どもたちの未来の可能性を広げていける社会をつくりたい
と考える。
参考文献
[1] 帝国書院（2003） “地図の力 小学生の県名認知度”, .
<https://www.teikokushoin.co.jp/map/menu2/in dex04.html>,（参照 2020-7-20）[2] 文部科学省（2017）, “学習指導要領 社会編”, .
<https://www.mext.go.jp/component/a_menu/education/mic
ro_detail/__icsFiles/afieldfile/2019/03/18/1387017_003.pdf>, （参照 2020-7-20）[3] 帝国書院 広島大学准教授 永田 忠道（2017） “新学習指導要領改訂ポイント解説資料, （参照）.
<https://www.teikokushoin.co.jp/teacher/pdf/2017_new_cours
e_of_study_revision%20_commentary.pdfon%20_comme
ntary.pdf>, （参照 2020-7-20）[4] 深田浩嗣（2012）, “ゲームにすればうまくいく＜ゲー
ミフィケーション＞9 つのフレームワーク”, P76

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

初めて触れる簡易楽器の製作
Easy-to-Learn Musical Instrument for Kids
16208 小縣 茉以
指導教員 氏家 和彦
1.研究目的幼児期において、情操教育は大切である。そこ
で、情操教育を育むためのツールを提案する。
家庭で出来る情操教育には、絵本の読み聞かせ、芸術・文化、季節の行事や宗教行事への参加等、様々なものがあった。中でも、音楽教育は人気が高い。（図1）楽器演奏は大人になっても続きやすく、趣味・特技としてもアピールしやすいこと
や、小学校の音楽の授業の先取りが出来る等という理由である。他にも、幼児期に音楽に触れることが脳の発達にとても良い影響を与える為、“音楽を習わせたい・触れさせたい”と考えている人が多いことが分かった。そこで、親が子供に初めて音楽に触れさせるとしたら、まず初めにおもちゃの楽器を与えると考え、手ごろな価格で気軽に音楽に触れることが出来るツールを考えていく。

図1

子供の習い事2.調査内容おもちゃの楽器には、プラスチックや木材で出来ている製品が多く、他の素材はなかなか使用されていない。また、プラスチックや木材は専用工具での加工が必要な為、自ら手軽に製作するのに適していない。そこで、自ら手軽に高クオリティなものが作れるのか・新たな素材で楽器を製作することが出来るのかを明らかにしていく。子供が楽器に触れる第一歩のものとして、親子で作れる簡易楽器が簡単・手軽で丁度良いからである。
3.現状分析
簡易楽器について、保育楽器ではタンバリン
や、カスタネット、鈴等の打楽器が多く見られた。一方、幼稚園や小学校では、鍵盤ハーモニ
カやリコーダーを導入している学校が多く、それらは吹く楽器である。この中で、吹奏楽器は心肺機能の強化や体力作りの一環にもなるため広く利用されている。
4.コンセプト
情操教育を育む為のものであり、簡単・手軽に作れる楽器を製作する。また、ターゲットは小学生以下の未就学児とその親とする。
5.アイデア展開
調査内容から、誰でも製作出来て試せる簡易的な吹奏楽器を製作する。
参考として、調査中見つけた紙笛を製作、市販のおもちゃの吹奏楽器を購入し、実際に構造を知るため分解をした（図2）。おもちゃの楽器
は中が金属リード構造だった。他にも、簡易的に吹けるものには草笛やパンフルート、ストロー笛等があることを知った。一番簡易的なスト
ロー笛の構造は主に3つの型に分けることができ、それぞれストロー笛を作成して実験をした
所、今回は一番簡易的なリード型を採用した。

図2

分解したシルバークラリネット

6.最終提案と課題
吹き口は調査したストローリードを改良した物を使用し、接合部はストローにビニールテー
プを巻き付けた物を紙管に嵌め込む形にした。
また、笛の音階変更についてはティンホイッス
ルの穴の位置を参考にチューナーで音を確認しながら紙管に穴をあけて笛を製作した。
（図 3）
研究と実験の結果、完璧に音程を変えることや、穴をあけるための工具が必要なため子供が作るには難しいということが分かった。また、おもちゃの笛が金属リードでハモニカ型であることの意味がよく分かった。

図3製作した笛と実際に吹いている様子

参考文献[1] いまどきの「習い事」事情 ベネッセ教育情報サイト
佐治環 2020/7/13閲覧
https://benesse.jp/kyouiku/200509/20050907-1.htm
l[2] 幼稚園における音楽表現活動の実際―楽器遊びの取り組みに着目して 溝口綾子 2020/7/16閲覧
http://www.teikyo-jc.ac.jp/app/wp-content/uploads/2020/06/journal20 20_27-36.pdf[3] 音楽系の習い事が情操教育にいい理由 azmix NPO法
人セブン・ジェネレーションズ理事 2020/5/15閲覧
https://up-to-you.me/article/3337[4] 笛作り 2020/5/13閲覧
http://digirika.el.tym.ed.jp/wp-con tent/uploa
ds/2014/01/fue-zukuri.pdf[5] ケルトの笛屋さん 2021/1/04閲覧
https://celtnofue.com/instrument/tinwhistle/t
inwhistle-007.html‐29‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

楽しく認知症予防をするためのアナログ遊具
A Fan Way to Prevent Dementia
16209 小俣 美優
指導教員 氏家 和彦
1.研究目的近年、認知症患者の増加が懸念されている。
そこで、認知症予防に有効とされる脳トレを通じて認知症予防へのアプローチを行う。
2.調査内容認知症とは「生後いったん正常に発達した種々の精神機能が慢性的に減退・消失することで、日常生活・社会生活を営めない状態」を指す。厚生労働省によると認知症患者は年々増加傾向にあることがわかる。（図１）

図１

カードゲームを中心にアナログゲームのルールを調べた。ゲームのルールによって様々ではあるが、計画力と注意能力を使い、また認知症予防に有効とされるコミュニケーションも必然的に取ることになる
3.コンセプト
認知機能を上昇させるための脳トレをゲーム形式にすることで楽しく気軽に認知症の予防を図る。
4.アイデア展開
コミュニケーションが必要で、手先を使うカードゲームとして展開。具体的な物を思い出す
作業を加えることで、認知の3機能を平等に鍛えられるツールを目指した。
5.最終提案
イラストと漢字を組み合わせて二字熟語を作るというルールのカードゲームを提案した。取り上げた二字熟語は小学生レベルの物を基本としつつ、組み合わせによって難易度が変化する仕組みとして展開。個人の裁量で熟語の追加を可能にしている。（図２）認知症患者の推移（厚生労働省）

現時点で、日本の65歳以上の高齢者における有病率は8～10%程度と推定されている。今後、高齢者人口の急増とともに認知症患者数も増加
し、2020年には325万人まで増加、将来的には同年代の4～5人に1人が認知症を発症していると考えられている。
また、認知症には前段階である「軽度認知障害（MCI）」が存在し、この段階で予防を行い、症状の進行 を食い止めることが認知症の予防につながる。そこで、早期の予防に着目した。
認知症予防は生活習慣に気を付けるほか、認知症になったときに衰えやすい能力を鍛えることも大切である。認知症になると衰えやすい３つの能力はエピソード記憶（出来事の内容に加えて、出来事を経験したときのさまざまな付随情報と共に記憶されている）、注意分割機能（脳が様々な刺激やタスクに同時に集中する能力）、計
画力（「先のことを考える」能力であり、これらの能力を鍛える方法として、ゲームを利用する場合がある。ゲームをすることは、認知症予防の生活習慣の一つ、「知的行動習慣」の中に組み込まれており、ゲームの中でも、確実に手先を使うことからカードゲームが有効であるとされる。これらの内容から「カードゲーム」に着目した。

図２.最終提案物

参考文献[1]厚生労働省 2020.5.6
https://www.mhlw.go.jp/kokoro/speciality/detail_recog.html[2]認知症予防大学 2020.5.6
https://www.preventing-dement.com/[3]認知症ネット 2020.5.6
https://info.ninchisho.net/mci/k10[4]ナンジャモンジャ公式 2020.5.20
http://www.nanjamonja.jp/[5]認知スキル 2020.5.20
https://www.cognifit.com/ja/science/cognitive-skills/planninghttps://www.cognifit.com/ja/science/cognitive-skills/divided-attention[6]大人も子供も楽しいボードゲーム さいころテーブ
ル 2020.5.20
https://saikorotable.com/2016/10/17/catandchoc
olate-nichijou/‐30‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

判じ絵を活用した日本語の見直し～日本の伝統と娯楽に触れながら敬語の見直しを図る～
Learning Respectful Nihongo through Traditional Japanese Hanjie
16211 加來 夢穂
指導教員 氏家 和彦
1.研究目的近年、若者の敬語の使い方が問題視されている。そこで国民の関心度が高い伝統娯楽・文化に触れながら、敬語の見直しを提案する。
2.調査内容国語に関する世論調査（図1）の結果、若者の日
本語が乱れていると思うかという調査で乱れていると回答したのが79.5％であった。更に、日本
人の国語力についての課題では「敬語などの知識」がトップという調査結果になった。
（内閣総理大臣官房広報室による調べ）

図1

文化庁：平成19年度調査

このように全体調査の結果、若者の「敬語の使い方」に問題があることが分かった。そこで、これから社会に出ていく若者など10代後半をターゲットとして考える。また、社会で他人と円滑にコ
ミュニケーションを行うために欠かせない重要な言葉が「敬語」とされているため、正しい敬語の使い方と見直しに着目した。
文化に関する世論調査（H.30 4 東京生活文化
局）では様々な文化的な環境を楽しんでいるかという調査でH.15に比べ楽しんでいる人数が増加していることが分かった。日本の伝統的な娯楽や文化に若者も関心を持っていることが分かったため、関心度の高い文化と共に正しい敬語
を楽しく気楽に学んでもらう。
日本人自身の日本文化理解促進（文化庁 文化発信戦略に関する懇談会報告書）に関しては
私たち自身が日本文化の良さを認識し、国民一人一人がいわば「日本文化大使」の役割を果たせるよう、学校教育機関段階における文化芸能に触れながら言葉を学ぶとされている。そこで今
回は伝統娯楽・文化の中でも馴染み深い「江戸期」のものに注目した。江戸期の娯楽と今の娯楽を比較すると、根本的な部分は変わらず時代は
変われど人間の娯楽の根本は大きく変わらない
ことが分かった。日本文化の根本は江戸時代の娯楽（ユーモア）が基盤になっていることがわかるため、江戸期のユーモアに着目した。その中でも馴染みが浅い判じ絵（図2）に注目し敬語の見直しと日本の伝統娯楽に更に興味を持ってもらう。
江戸のユーモアの一種である「判じ絵」は江戸時代 大人 ～ 子供 まで 庶 民に 大流 行 した 娯楽で「目で見るなぞなぞ」といわれている。読み方ありきの構成で現実ではありえない組み合わせの絵が面白おかしく描かれている。
3.コンセプト
若者の日本語力（敬語力）アップのため関心度の高い伝統娯楽と掛け合わせ、楽しく気楽に敬語の見直しを図る。
4.アイディア展開
SNSを駆使した「判じ絵ミニクイズ」を展開。
また判じ絵を活用したイラストで「敬語」を表現する。提案物は敬語の判じ絵とそのUI画面を製作する。
5.最終提案・課題
誰もが使用するLINEを用いて判じ絵のミニク
イズ（図3）を搭載する。また、今回取り上げる
敬語は主にビジネス敬語、社会人として知っておくべき最低限のものをピックアップして展開
した。

図2

判じ絵

図3

最終提案

参考文献
[1]国語に関する世論調査 2020.4.6
https://www.bunka.go.jp/tokei_hakusho_shuppan/t
okeichosa/kokugo_yoronchosa/index.html[2]文化に関する世論調査 2020.9.10
https://www.bunka.go.jp/tokei_hakusho_shuppan/t
okeichosa/pdf/92221801_01.pdf[3]文化発信戦略に関する懇談会 2020.9.10
https://www.bunka.go.jp/seisaku/bunkashingikai/
kondankaito/bunka_hasshin_senryaku/[4]なぞなぞ絵解き判じ絵展 2020.8.19
https://www.yumebi.com/acv88.html[5]判じ絵てなあに？ 2020.6.6
https://cinefil.tokyo/_ct/17188480[6]知っておきたい！よく使う敬語変換2020.7.20
https://townwork.net/magazine/knowhow/manners/b
aito_manners/13309‐31‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

ゴミのアップサイクル
Waste Upcycle
16212 金澤りん
指導教員 西野 隆司
1. 緒言
私の研究目的は、持続可能な社会を実現させるためにアップサイクルの認知を広め、人々のゴミ問題への意識改革と環境問題改善に近づくことである。
アップサイクルとは、廃棄物などの不要になったものに新たな付加価値を与え再利用することを言う。現在世界では廃棄物量が多量であること
での環境破壊、焼却処理による環境汚染や CO₂排出による地球温暖化などが問題視されている。その中でも衣類の廃棄物が多量であることに着目し、その調査の中で独立行政法人中小企業基盤整備機構による報告書から日本における衣類廃棄量は年間約 100 万トンにも上るとわかった［1］。
この廃棄された衣類の半分以上は焼却処分されると言われており、それらを改善すべきではないかと考えた。
このようなゴミ問題を踏まえ、廃棄される衣類をエコバッグにアップサイクルし販売、宣伝を行うことで世にアップサイクルを広め、人々のゴミ問題への意識改革と環境問題改善や持続可能な社会を実現させる研究を行う。
2. 方法
始めに、現在問題視されているゴミ問題についての調査を行った。国際統計データ専門サイトの
GLOBAL NOTE に掲載されたデータでは、世界の廃棄物排出量ランキングでアメリカ、中国、ドイツに並び日本が 4 位とあり、1 人 1 日当たりのゴミの排出量が約 920 グラムと世界的に見ても廃棄物が多量である。2018 年の日本のゴミ総排出量
は東京ドーム約 115 杯分にあたる 4272 トンと多量であり、年々増加傾向にあると言われている[2]。このようにゴミの排出量が非常に多い日本だが、それにより現在どのような問題が起きているのか。例えば、ゴミを焼却炉で燃やした際に温室効果ガスの二酸化炭素が発生し地球温暖化が促進する問題、埋立地不足の問題では埋立地は 3
億 3500 万立方メートルあるが既にその 64.6 パーセントが埋立てられており、平均残余年数は約6 年余に過ぎないと言われている。
また、実際に身近な問題であるポイ捨ての実態を調査するため江ノ島の海へ行った際はペットボトルや空き缶、花火など様々なゴミがポイ捨てされており、ゴミ排出量の問題、プラスチックゴ
ミ、海ゴミによる環境汚染などの新たな問題点も浮かび上がった。
上記の調査内容より、衣服排気量が多量であり焼却処分による環境汚染が進んでいることと昨年、経済産業省が発表し大きな話題となったプラ
スチック製買い物袋の有料化の問題を掛け合わせ、廃棄された衣類をエコバッグとしてアップサ
イクルしたものを販売し、アップサイクルへの認知度を高める提案を行う。これにより、衣類廃棄の減少やプラスチックゴミの削減に繋がり、人々のゴミ問題への意識改革と環境問題改善に近づき、持続可能な社会を実現させる。衣類はコロナ
禍のためアパレルショップや古着屋から入手できず、友人の廃棄するものを集めてミシンで制作
を行った。
3. 結果
アップサイクルを広めるためのエコバッグ
は、特徴的ポイントがあるべきと考え、買い物の際に使用しやすく個性的な風呂敷風エコバッ
グとしターゲットユーザーを 30 代から 50 代の主婦と設定し制作した。風呂敷風エコバッグとは、正方形の布を結ばず穴に通すことで包めて持ち手ができるエコバッグである。結び方を覚えるのは大変だが商品を容易に包める風呂敷と、持つのは簡単だが商品を入れるのが難しい
エコバッグの特徴を生かした作品となった。

図 1.風呂敷風エコバッグ

4. まとめ今後は、コロナ禍のため行えなかったアパレル
ショップや古着屋から衣類廃棄の回収、実際に主婦の方へ使用してもらいインタビュー、などを行
いたい。また、今回の制作物は 450 ミリ×450 ミ
リだが、用途に合わせてさまざまなサイズのものを制作し販売を行いたい。
研究を重ね、ゴミを宝物変えることができるアップサイクルで「ゴミをいう概念」をなくし持続可能な社会の実現に役立ちたい。
文献[1] 独 立 行 政 法 人 中 小 企 業 基 盤 整 備 機 構 (2010) ＜https://www.env.go.jp/sitemap.html＞(参照 2021-2-1)[2]GLOBAL NOTE(2018)＜https://www.globalnote.jp＞(参照 2020-10-19)‐32‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

日本酒文化の理解
現代の若者に日本の良き伝統文化である「日本酒」に触れてもらう
Understanding Japanese SAKE culture
Let young people know about sake, which is a good traditional culture of Japan
16213 金子 花菜
指導教員 氏家 和彦
1.研究目的
様々なメディアで調べてみると、日本に興味を持っている外国人の方が日本の若者より日本文化に多く触れているのではないかと感じ、
これは若者の日本の伝統文化の知識不足が問題だと考えた。世界に、誇れる自国の文化が存在する中で私たちはもっと日本文化について知識を身につけるべきである。そこで、数多くの伝統文化が存在する中から代表的な嗜好品でもある酒文化に着目し、「日本酒」を軸に設定した。そうすることで、これからオリンピッ
クの開催により外国人観光客の増加が予想されるなか、社会の中心になっていく若者が社会進出した際にその方々に日本のおもてなしができるようになることがメリットとしてあげられる。
2.調査内容現代の日本酒の消費量は、昭和48年(1973年)をピークに平成が終わる頃にはピーク時の3分の1にまで落ち込んでしまった。（図1）またその理由が、若者の日本酒に対するイメージや認識があまり良くないというものであることがわかった。それは大きく分けて、1.日本酒はまずい（悪酔いするというイメージ）2.おじんさが飲むダサい酒 3.日本酒は太りやすく体に悪い（ダイエットの敵）4.種類が多くてわからない の5つがあげられた。こんな現状を調べていく中で日本酒には味別で、薫酒・熟手・爽
酒・酵酒の4種類で分けられることがわかった。
それらはそれぞれはっきりとした香味の違いや良さがある。薫酒はフルーティで香り高いタ
イプの味わい、熟酒はとろりとした飲み口の熟成タイプの味わい、爽酒はすっきりとした軽快で滑らかなタイプの味わい、酵酒はふくよかでコクのあるタイプの味わいである。（図2）

図1

日本酒の消費量

図23.コンセプト
若者が日本酒に触れるきっかけをカタチにする。ターゲットは「推し」のいる若い女性。
伝統文化である日本酒と若者にとってメジ
ャーな現代文を掛け合わせ、若者でも興味を持
ち手に取るきっかけになるものを制作。
4.アイデア展開
調査内容から、日本酒を楽しめるメニューや、様々な日本酒を少量づつ楽しめる飲食店、そして商品などを提案物として検討した。これらの案はどれも様々な日本酒についての知識を苦がなく楽しみながら身につけることができるものとなっている。
5.最終提案・課題
日本酒はたくさんの種類がありどれを飲んで良いかわからないという若者の意見から、今回の提案物として「4種の日本酒飲み比べセット」（図3）を制作した。種類は、薫酒・熟酒・爽酒・酵酒をピックアップし、その商品を展開していくにあたって若者が手に取るきっかけ作りとしてパッケージなどを若者受けのする現代文化と掛け合わせる。また、若者にとってスタンダードになってきている「推し」という文化に着目した。「推し」のイメーシや担当カラーなどをうまくその商品のパッケージに絡め展開していくことにより興味を持たせることが可能になり日本酒に触れるきっかけを生み出せる。そしてそれにより同時に日本酒についての知識をつけることが可能になる。

図3

最終提案物

参考文献
[1]日本酒の製造方法 2020.10.17
https://jp.sake-times.com/knowledge/word/[2]日本酒の香味【日本酒の基礎知識】 2020.7.23
https://www.gnavi.co.jp/dressing/article/22098/[3]日本酒の消費量がピーク時の三分の一になぜ若者の「日本酒離れ」進んだ？ 2020.8.24
https://news.livedoor.com/article/detail/17419
496/

日本酒の香味‐33‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

自己肯定感を高めるアイテム
Help Tool to lmprove Your Self-Esteem
16215 工藤 秀斗
指導教員 坂元 愛史
1. 研究目的
近年「日本人は自己肯定感が低い」「最近の日本人の若者には自信がない」という内容の記事を頻繁に目にするようになった[1]。多くの人がこのことに共感を持ち問題視しているようだ。
自己肯定感低下の改善を図るのに有効な手段
は、現状カウンセリングやセミナーの受講、自己啓発本の購読というような、やや敷居の高いもの
や、あやふやな手段が大半を占めている。
そこで、本研究では日本人の若年層の自己肯定感の低さを改善するプロダクトの提案を行う。
2. 調査内容
自己肯定感低下を改善するための様々な方法を検討した結果、認知行動療法が最も効果を上げる可能性があることが分かった。
2-1.認知の歪み
自己肯定感低下の原因には「認知の歪み」が密接に関係している。認知の歪みとは、ある出来事
に対し歪んだ捉え方をすることで、気持ちが不安になったりイラついたりすることを指す心理学用語である。これにより自己肯定感や自尊心が低下し、それが原因で更に認知の歪みが生ずるという「負のサイクル」が発生すると言われている[2]。
2-2.認知行動療法
認知行動療法とは、認知に働きかけて気持ちを楽にする精神療法(心理療法)の一種であり、「認知の歪み」を解消するのに有効な手段である[3]。
3. 提 案
今回の提案では認知行動療法のうち下記の 2
つの療法が、性質上、有効であると考えた。
3-1.思考停止法
思考停止法とは、自分にとって害となる思考を一時的に遮断できる療法である。主に依存症治療に利用されており、依存物への欲求が生じた際の緊急的な対処法となる。これを利用することで、
自己肯定感の低下に繋がるマイナス的思考を一時的に遮断できる[4]。
この方法は頭の中でスイッチを切り替え、気持
ちが安らぐ情景を想像することが必要で、使いこ
なすには訓練が必須である。思考の切り替えには
視覚や聴覚などに頼るべく、音を出したり、写真を見たりするのがより効果的だが、状況によってはそれができないという欠点がある。
3-2.コラム法
思考停止法の次に利用されるのがコラム法である。思考停止法は一時的に思考を遮断するもの
で、長期的な対処はできないが、コラム法はその‐34‐

思考に至った原因や心理状況などを 7 つのコラ
ムに当てはめて整理し、長期的な精神の安定を図ることができる[2]。
項目が多いため実行する際は記憶を頼りに行うか、テキストを用意する必要がある。
4. 最終提案
前述した療法の欠点を改善する上で以下の条件をクリアする必要がある。
・TPO にも配慮しつつ効果的に療法を行える
・どこで取り出しても違和感の無い形状
・男女兼用
・必要な機能を盛り込めるサイズ感
以上のことをふまえ、ブレスレット形状が最適であると結論づけた。

図 1 最終モデル

ブレスレット本体には思考停止法を円滑に行
うためのスナップ音が出る切替えスイッチを設置した。本体カラーは使用者がリラックゼーショ
ン効果を得られるようなものとし、コラム法の 7
項目を円周上に記すことで、テキストの代わりを果たせるようにしている。
5. 検証結果
心理学の専門家 2 名に対し本研究について意見を求めた結果、この研究は実際に自己肯定感の低下防止、向上に訓練・補助ツールとして役立ちそうだという意見をいただいた。
6. 今後の展開
検証で得られた意見を参考に、更にデザインの改善を行い、最終的には実際に自己肯定感の向上に貢献することがこの研究のゴールとなる。
参考文献[1]内閣府：平成 26 年版 子供若者白書、特集、自己認識、
2014[2]元住吉こころみクリニック：認知行動療法とは？、2020、https://cocoromi-cl.jp/knowledge/other/psychological-therapy/(参照日:2020 年 8 月 15 日)[3]認知行動療法センター：認知行動療法とは
https://www.ncnp.go.jp/cbt/guidance/about(参照日：2020 年 8 月 15 日)[4]ライフデザイン研究所：9 思考停止法
http://e-eap.com/contents/cm_03/cm03_09/index.shtml(参照日：2020 年 9 月 2 日)

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

感染症を防ぐための手洗いグッズ
Hand Washing Products to Prevent Infection
16219 小山 享佑
指導教員 谷上 欣也

1. 研究目的
2020 年の初めから新型コロナウイルスが世界中で猛威を振るっている。対策としてこれまで積極的におこなわれなかった除菌や手洗い、マスクの着用などの感染症対策が呼びかけられている。
そこで手洗いをおこなった後に手を拭くという行為に着目した。多くの人がハンカチを持っておらず、洋服で拭いたり、手を振って水を飛ばすなどしている。この現状を知り、感染症対策が不十分だと感じた。本研究ではこの点に着目し、感染症予防を徹底できるようなグッズを提案する[1]。
2. 調査内容
現在、新型コロナウイルスの感染対策として厚生労働省が公開している情報によると、手洗いやうがい、マスクを着用することは感染対策として有効であることがわかる。手洗いの時間と回数により、残存ウイルスの数は大幅に変化する。手洗いなしで約 100 万個、流水で 15 秒の手洗いで約1 万個、石鹸で 30 秒もみ洗い後、流水で 15 秒す
すぎで数 100 個までウイルスは減少する。調査をおこなったところハンカチを持っている人が濡れた手でポケットや鞄に手を入れる行為を不快に感じている[1] [2]。
3. コンセプトおよびアイデア展開
コンセプト：日常の手洗いのサポート
手洗いをおこなった後の濡れた手をスムーズに拭くためのデザインを提案する。簡単にハンカチを取り出すことができ、収納した後のハンカチが乾きやすくなる構造を考えた。そして携帯性を高めるため、腰のあたりに着用できるものを考えた。
どちらの案もカラビナを用いることで様々なところに着用できるよう工夫した。
A 案 蛇腹の機構を用いた形
手洗いをした後の濡れた手をスムーズに拭くためのデザインを提案ハンカチの取り出しやすさを高めるために、内部にリール式の機構を使用している。この機構により、ハンカチを引っ張るだ
けで簡単に取り出せる。そして、家に帰ってハンカチを取り出しやすいように蛇腹に折りたためる。
B 案 スリム化 取り出しやすさを重視
機構は A 案と同じものを用いた。ハンカチの取り出しやすさを高めるために、大きなスリットを設けた。さらに、本体を小型化することで常に携帯しやすくなった。（図 1）

‐35‐

A案

B案

図 1 試作モデル

4. 最終提案
アイデア時の下方からハンカチを取り出す構造には問題があったため、上方から出し入れができる構造に変更した。ハンカチが乾燥しやすいよ
うに上下を吹き抜けにし、内側に珪藻土シートを装着した。開口部を広くとっているためストレス
無くハンカチを出し入れすることができる。試作ではカラビナを用いて着用できる仕組みであったが、様々な服に対応できるようにカラビナの他に新たにクリップを設けた。（図 2）

図 2 最終モデル

5. 結論
手洗いをおこなった後にハンカチをポケットや鞄に触れることなくスムーズに取り出せ、手指を清潔な状態に保つことができる。また、ハンカチを携帯する習慣を身に着けてもらうことも可能だと考える。実験をおこなった結果、ポケットにハンカチを携帯している時より乾燥する時間が早いなど良好な結果が得られた。また検証では「ハンカチが取り出しやすい」や「これならハンカチを持ちあるけそう」などの肯定的な意見を多く得ることができた。この提案物によって感染症のリスクを軽減することができると考えられる
ことから目標は概ね達成できたといえる。
文

献[1] 厚生労働省 新型コロナウイルス感染予防のために
https://www.mhlw.go.jp/stf/covid-19/kenkouiryousoudan.html（参照-2020-07-26）[2] 厚 生 労 働 省 手 洗 い の 時 間 ・ 回 数 に よ る 効 果 ,https://www.mhlw.go.jp/file/06-Seisakujouhou11130500-Shokuhinanzenbu/0000105095.pdf （ 参 照 2020-05-15）

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

高齢者が快適に生活するためのデザイン
A Medicine Box for an Elderly’s Daily Life
16220 酒井 真梨乃
指導教員 西野 隆司
1. はじめに
近年、より一層深刻化している高齢化社会の問
題を、自分の祖父母と接する中で身近なものと感じて興味を持ったのが、このテーマにした動機だ。
高齢者の日常生活を見直し、そこにある問題を改善することを研究目的とし、この問題改善が高齢者と彼らを取り巻く人々の幸福の向上につな
がることなどを研究意義と考えた。
2. 方 法
研究方法は、資料調査、身近にいる高齢者の観察、介護施設などへのインタビューなどを中心に行い進めていった。
最初に、高齢者の心と体の問題について資料調査をした[1][2]。その中で、私の祖父母には心の問題に共通する部分が多かったので、その問題を中心にデザイン展開を進めていくことにした。次に、「読書」や「メモ」が認知症予防につながることが分かった[3][4]。「読書」に関しては、うつ病の予防にもなる。しかし、実際お年寄りはメモを取ったこと自体を忘れてしまう。このことか
ら、読書を楽しみながら書いたメモを思い出せる、
またメモを取る習慣をつけることができるような「本」と「メモ帳」を組み合わせたものを作ろうと考え始めた。しかし、すでに類似商品があったことと、自分の祖父母が以前に比べて本を読まなくなったことから、読書を含めたもので進めていくのは難しいと判断した。そこで、「メモ帳」というキーワードは残して「本」という要素は外すことにした。
次は、お年寄りが毎日目にするものに注目しメモを組み合わせるデザイン展開を考えた。大体のお年寄りは薬を服用することから、「薬ケース」というものに着目した。
よって、最終的に「薬ケース」と「メモ帳」を組み合わせたもののデザインを展開をしていく
ことに決めた。
インタビューでは、介護施設の方々にメモをつけることの重要性を聞いたり、試作品についてア
ドアイスをしていただくことができた。
3. 制 作家にあった既製品の薬ケースを元に、環境のことを考え紙媒体で作る、曜日に合わせたイラストを入れることで視覚による物忘れ防止策など、工夫を加えて試作をしていった。この作品は、「八王子コンソーシアム」にも出展し、そこにいらしゃった本校や他の学校の先生方と、その後に訪れた介護施設の方々にいただいたアドバイスを元‐36‐に、改善を加えて作り進めていった。2 回目の試作では、新たな材料を使い、1 回目の時よりも丈夫に仕上げた。計 2 回試作品を制作し、三度目で写真 1 のような最終作品を作り上げた。試作段階と比べて大きく変更した点は、サイズを大きくした、薬を入れておく部分にある角を無くし、カーブさせて薬を取りやすくした、曜日のイラストの形と色の組み合わせを減らしたことなどである。

写真 1 左から薬ケース、メモ帳

4. 結 果
1 回目の試作品を実際に自分の祖母に渡した
際、薬ではなくその場にあったお札をしまっていた。3 週間後に取りに行った際には紛失していたが、薬ケースを預けている間に使っていた様子の
写真を介護施設の方が撮ってくださった。
2 回目は、作品の紛失を恐れたので、施設の方々にみていただくことのみにした。そして、箱の角に薬が突っかかり取れにくくなることや薬の収納部分の大きさや文字のサイズが小さいな
どの問題が出てきた。
3 回目では、2 回目に出てきた問題点を改善し、施設の方々にも使いやすくなった等のコメントをいただくことができた。また、文字の見やすい
位置を考えるなどの課題も残った結果となった。
5. まとめ
実際に使う人やその人たちの身近にいる人たちに話を聞くことの重要性が分かった。
参 考 文 献[1] 武田雅俊・田中稔久 監修,大阪大学大学院医学系研究
科・精神医学教室 編集（2007）「絵でみる心の保健室」アルタ出版 p169-191，〈http://www.med.osakau.ac.jp/pub/psy/www/jp/counseling/169-192.pdf〉2021 年
2 月 6 日アクセス．
[2] 『 高 齢 者 の 介 護 （ 身 体 の 変 化 ） 』 ，〈https://www.tsukui.net/about/care/03/〉2021 年 2 月 6日アクセス．
[3] 「読書で認知症を予防できる？ 読書と脳の関係とは」，〈https://www.nexuscare.co.jp/archives/nursing_po
st/nursing_post-3621〉2021 年 2 月 6 日アクセス．
[4] 朝田 隆 監修（発行年不明）『認知症予防・対策のために注意すべき４項目（食事・アルコール・運動・ストレス）』，〈https://www.minnanokaigo.com/guide/dementia/prevention/〉2021 年 2 月 6 日アクセス．

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

高齢者の日常生活をサポートするデザイン
A Safer Cane for the Elderly
16221 坂口 鈴夏
指導教員 谷上 欣也
1. 研究目的
私の祖母は脳梗塞を患い半身麻痺のため、施設で車椅子生活をしている。普段は介助者が面倒を見てくれるが、介助者がいない場合、立ったり座ったりの動作には特に困難が伴う。社会的にみると少子高齢化が進み、介助を思うように受けられない高齢者も増えている。そんな高齢者が安心して自立生活ができるように生活向上を促すデザインを提案する。
2. 調査内容
高齢者の日常生活について調査を行った。また
現在おこなわれている対策や市場に出ている製品についての調査もおこなった。
■ 高齢者人口の推移と生活
総人口に占める高齢者人口の割合の推移をみると 1950 年以降一貫して上昇が続いており、近年は大きく増加傾向にある。また、高齢者の増加に伴い要介護認定者が増加している一方、介護をする側の人手が著しく不足している[1] [2]。
■日常生活の中で難しいと感じる活動「物の持ち運び」、「階段の上り下り」、「入浴」、「着替え」、「家事」、「立ったり座ったりする」などに困難を感じている高齢者が多い。
本研究では日常生活でとくに多くおこなわれる「立ったり座ったりする」の項目に着目した[3]。
■ 高齢期の立ち座りの動作
高齢者は日常の立ち座りの動作に不安を感じていることが多く、軽い転倒が大きな怪我や事故につながる可能性も少なくない。高齢期に立ち座りの動作が難しくなる理由として「加齢による筋力の衰え」、「柔軟性の低下」、「間接可動域の縮小」等の身体的理由が考えられる[4]。
3. コンセプトおよびアイデア展開
本研究は多くの高齢者が抱える「立つ」、「座る」の悩みを解決することで生活向上を促すことを目的として、コンセプトを「自立自存」とする。
高齢者が室内の日常生活で常に持ち歩くことを想定し、立ち座りの動作を補助するだけではなく、持つことで安心感を与えるようなデザインの提案を行った。従来の立ち上がり補助器から着想を得て、両手で使用する杖を制作した。検証の結果、
立ち座り動作による安定感、様々な動作による体勢の変化等を更に考慮して、最終提案に繋げる必要があると感じた。

‐37‐

4. 最終提案
持ち手部分は、持ちやすさと使うときの体勢を考慮して自由な持ち方の出来る形状に決定した。
見た目上でも安心感を与え、力をかけて使用できるように軸と持ち手を太くした。従来の杖より持
ち手部分を広くとることで両手での使用を可能にした。また高齢者は若年層に比べて怪我をし易
く痛みを感じやすいことから、尖った部分がなく
緩やかな形に仕上げた。安定感を出す為に、土台部分を四脚型にした。また地面との接地面をゴム足とすることで段差がある場所でも安定した使用感が得られるようにした。（図１）(左：全体 右：使用イメージ)

図 1 最終モデル

5. 結論
室内での検証の結果、立ち上がりの補助を十分に行うことができるという意見に加え、木材を使用したため室内のインテリアに馴染むなどの意見が得られた。しかし、木製の持ち手部分が滑ることから形状や素材などでより使いやすい製品を模索する必要があると感じた。
ある程度力をかけても安定していることや、室内において容易に使用できることから研究目的は概ね達成できたと考えられる。
文

献[1] 総務省統計局：高齢者人口及び割合の推移（1940 年～2040 年）
https://www.stat.go.jp/data/topics/topi1211.html（参照-2020-4-25）[2]厚生労働省：高齢社会に関する意識調査（2016 年）
https://www.mhlw.go.jp/stf/houdou/0000137669.htm（参照-2020-７-28）[3]内閣府：高齢者の健康に関する調査（2017 年）
https://www8.cao.go.jp/kourei/ishiki/h29/gaiyo/in
dex.html（参照-2020-8-16）[4]人間生活工学研究センター：人間特性計測に関する基盤研究 https://www.hql.jp/research/024.htmli（参照-2020-8-25）

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

EV 環境と組み合わせた車中泊避難のためのグッズ
Environment-friendly Evacuation Kit for use in Cars
16222 櫻井 詠大
指導教員 谷上 欣也
1. 研究目的
台風、洪水、地震など災害大国と呼ばれるこの
日本において、これまでは避難所に避難することが安全な対応とされてきた。しかし、昨今の感染症により密になることを避ける傾向にあり、多くの人が集まる避難所に避難する方法はリスクが伴う。そこで、「車中避難」に着目した。本研究は今後需要が高まる EV 車を前提に車中泊の懸念点を解消し、よりよい環境を整えることを目的としている。
2. 調査内容
2.1.防災意識調査ても使用できる。グッズを包んでいる袋は寝袋に変形させることができ、足を伸ばして睡眠することを促す。これにより、エコノミークラス症候群を発症するリスクを軽減する。
4. 最終提案
EV 車である特徴を活かして電気を使う製品を取り入れることで、衣食住の食と住に適応したものにした。またパッケージの厚みが着座時のひざに干渉する問題が発生した。そこで「COOK」「FOODS」「GOODS」の３つに用途を分けてパッケージする
ことで、小さくまとめることを可能にした。
「COOK」には IH コンロや鍋などが入っている。IH の箱は開けると台に変形する。台座に 14 度の傾斜をつけることでシート座面の傾斜に対応し、IH の水
平面を０から５度の誤差に抑え、使用中に滑り落ちる危険性を解消した。また、「FOODS」「GOODS」
は寝袋によってまとめられたパッケージングがされており、当初の浸水への対策を発展させた。
（図１）

感染症の蔓延によって、防災への意識も変わりつつある。NPO 法人環境防災総合政策研究機構環
境・防災研究所が 2020 年 4 月に避難経験者に防災意識調査を実施したところ、「車中泊避難をする」という回答が 38 パーセントを占めた[1]。
2.2.車中避難の現状
車中避難について行政は消極的である。エコノ
ミークラス症候群や浸水の可能性があるため、推奨していない場合が多い。2016 年に発生した熊
本地震では災害関連死が 251 人にも上り、要因の（写真左：設置イメージ

一つに「車中泊」が挙げられていた[2]。

図１2.3.車中泊（EV）のメリット
EV の場合、車体に大容量のバッテリーを積んでいるため、生活に必要な電力をまかなえる。EVの場合、スマートフォンの充電だけなく、大きな電力を伴うものも問題なく使える。加えて、冷暖房が装備され、人との接触を避けることができ、プライバシーも確保される。したがって、懸念されていることさえクリアすれば最適で良い環境を整えることができると考えている[3]。
3. コンセプトおよびアイデア展開●コンセプト：新しい様式下の防災
感染症対策として人と接触しないことが求められる中で、今後普及するとみられる EV 車を活用
した避難手段を促し、避難状況下でも最低限かつ最適な環境をサポートする。
●アイデア展開
グッズはシートの背面に掛けておく。何らかの問題が発生し車外へ避難する必要が生じた場合は、ワンアクションでグッズの一部が取り出せる。この部分は野営に対応しており、浸水時は浮きとし‐38‐

写真中央・右：使用イメージ）

最終案使用イメージ

5. 結論
全長 4430mm の SUV をモデルに車内での検証を行った。不安点だった通常時のスペースの問題もひざと干渉することなくクリアランスが確保されることが確認できた。また「このサイズ感であれば常備しても良い」や「操作性に問題なく、不快さも感じない」など常備性や性能面の観点で評価を得ることができた。一方検証の際、女性目線
で必需品が足りないという意見を得たため、この点についてはさらに検討していく必要がある。
文 献[1] NPO 法人環境防災総合政策研究機構環境・防災研究
所:災害時の避難と新型コロナウイルスの対応意識,
http://www.npocemi.com/labo/works/202004_covid-19.pdf （ 参 照 2020-7-20）[2] 内 閣 府 防 災 情 報 ： 災 害 関 連 死 に つ い て ,http://www.bousai.go.jp/taisaku/kyuujo/pdf/r01k
aigi/siryo8.pdf（参照-2020-8-17）[3] JAF: 災 害 時 に お け る ク ル マ か ら の 電 力 供 給 ,https://jaf.or.jp/common/safety-drive/carlearning/user-test/disaster/power-supply（参照2020-7-27）
2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

読書習慣を身につけるための空間
The Space for Making a Habit of Reading Books
16223 佐藤 玄弥
指導教員 坂元 愛史
1. 研究目的
一般的に、読書は教育面においてとても価値のあるものであると考えられている。しかし近年、日本人の読書量が減少傾向にあると思われる。それに比例して、読解力も減少しているようだ。この問題を受け、読書を習慣化させ読解力を向上させることを目的とした家具の提案を目指した。
2. 調査内容と分析
資料を調査した結果、次のことが分かった。
・読書時間と読解力について
近年読書を全くしない学生が増加傾向にあり、その割合は 2019 年には 5 割にも及んでいる[1]。
また、日本人の読解力の低下傾向がある[2]。
・読書習慣について
10 歳ごろまでの読書量が将来の読書習慣を形作るという説がある[3]。
・空間について読書には自分自身の部屋のような、一人で集中できる空間が必要である。しかし、様々な理由からその空間を作ることが難しく、現状自分自身の部屋を持てていない子どもも多い[4]。
・電子書籍について
近年急速に普及している電子書籍は便利であるが、現時点で紙の書籍のほうが読書に対する楽しさを感じやすく、読書習慣を身に付けるという目的に適している[5]。
3. コンセプト
以上のことから、読書量を増加させ、読解力を養っていくためには、幼いころに紙の書籍に触れることが重要であり、そのための空間づくりが必要であると分析した。
リビング等でも子供が読書に集中できる空間が得られる家具を目指す。読書習慣を身に付けられるように、ターゲットユーザーは、6 歳から 10歳ごろまでの小学生に設定した。
4. 提 案
子どもが自由な姿勢をとることができるような空間を持つ家具を設計した。
・中の空間は、大人でも胡坐がかけるほどの広さがある（座面の大きさ 幅 876 ㎜, 奥行 880 ㎜）。
・右腕の方には、本や小物を置けるくらいの小さな机を設けた。その下は本棚として、図鑑などの大きな書籍も収納できる。図鑑は 5 冊まで収納可能である。
・座面の下の空間に子どもの興味を引きそうな
回転棚を設けた。文庫本などを大量に収納（約100 冊）、棚を回すことで容易に取り出せる。
‐39‐

・重量は約 20 キログラム。キャスター（ストッパー付）によって、子どもでも好きな場所に容易に移動させ固定することができる。
リビングやダイニングのような広い空間の中にありながら、仕切られた空間が自分の部屋のよ
うに感じられ、読書に集中しやすい環境を得ることができるだろう。

図 提案物と使用例（幅 910mm, 奥行 910mm, 高さ 920mm）

5. 検 証
新型コロナウイルスによる緊急事態宣言下で、実際に使って頂く検証は実施が難しかったため、ターゲットユーザーである小学生を持つ家庭、もしくは過去に持っていた家庭から、この製作物の写真を参照していただくという形で検証を行った。そこから、以下のような好意的な意見をいた
だいた。
・自分の部屋がない子が多い。そのような子たち
はこの製品を欲しがると思う。
・棚に本を置けば、読書をする気分になれそうだ。
・秘密基地みたい。子どもが喜びそう。
・回転する仕組みが子どもは面白がるだろう。
・読書を通じて集中力が付きそうだ。
6. 結 論
この研究から、リビング等でも子供が読書に集中できる空間が得られる家具の提案という指針
に対し、ある程度の成果を得ることができた。読書に集中することが出来れば、読書習慣が自然と身に付き、読解力の向上につながるだろう。
文 献[1] 全国大学生活協同組合連合会, “55 回学生生活実態調査”, 2019[2] 国立教育政策研究所, “生徒の学習到達度調査”, 2018[3] 松永暢史, “将来の学力は 10 歳までの「読書量」で決まる!”, すばる書, 2014
[4] 国立青少年教育振興機構, “青少年の体験活動等に関する実態調査”, 2018
[5] Ferris Jabr, Scientific American, “The Reading Brain in the
Digital Age: The Science of Paper versus Screens”, 20132020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校学生を対象とした環境問題学習
Learning Environmental Issues: Materials for the Young
16224 瀬川 力暉
指導教員 西野 隆司
1. 研究目的
昨今、地球温暖化などの環境問題が注目され、危惧する声も大きくなっている。それらに対応し、改善していくためには、まず前提として環境問題に対する知識が必要であると考えた。本研究の意
義はこれから変化していくであろう環境問題の基礎的な知識を学生を中心に学習してもらうことにある。
2. 調査内容「地球温暖化問題への大学生の知識と意識に関するアンケート調査」では、86.2%が環境問題を幼稚園から大学生まで学んだ経験があると回答したにも関わらず、60．5%の学生が環境問題について未回答もしくは知識に誤りがみられるという結果だった。ここから、大学生以下の多くの学生は環境問題の理解度は低いと推察できる[1]。
「地球環境問題に対する意識」の世代別調査によると若い世代である 18～29 歳は、ほかの世代と比較して 13％ほど低いという結果だった。また「あまり関心がない」、「まったく関心がない」の総数は 30～80 代の平均を 2 倍以上上回っている。よって、学生を含む若い世代は他の世代より環境問題への関心が低いということが分かる[2]。
3. コンセプトおよびアイデア展開
以上の調査内容から、学生（10～20 代）に向、
環境問題学習を行なっていく上で、以下が必要だと考えた。
分かりやすい（理解しやすい）（1）
学生が関心を持つことができる（2）
環境問題を解決するためのアプローチ（3）（1）環境問題を学習する上で必然的に多くのデータが扱われるため、イメージしづらく、敬遠してしまう人も多い。そのため、インフォグラフィ
ックスを主に使用する。インフォグラフィックス
は情報、データを視覚的に表現することができる
ため、環境問題の学習には最適である。
（2）デジタルネイティブの世代にとって、本などの紙媒体よりスマートフォンなどのデジタル媒体の方が関心が持てるメディアであるため、それを想定した提案。
（3）環境問題の漠然とした不安を煽るだけでは問題解決へと向かわないため、身近に実践できる
環境問題解決の手段の周知を図る。
4. 最終提案
環境問題の学習をサポートするアプリという想定でデザインプロトタイプを最終提案物として制作した。提案物では主にインフォグラフィッ‐40‐

クスと解説の文章を電子書籍のように読むことで環境問題について学ぶことができる。
提案物で扱う内容は①地球温暖化、②海と海の生き物、③森林と陸の生き物 の三項目の構成となっている。これら三項目は SDGs（持続可能な開発目標）における 15 項目のうち、13「気候変動に具体的な対策を」、14「海の豊かさを守ろう」、
15「陸の豊かさも守ろう」にそれぞれ対応している。環境問題に対する知識を整理し、かつ問題解決の手段を学んでもらうために各三項目は「原因」、「結果（影響）」、「解決するための手段」
でそれぞれ構成した。（図 1）（図 1）提案物から抜粋

これら本来の表示方法とは別に、インフォグラ
フィックスのみのサムネイルで表示をすることで、知りたい項目にすぐたどり着くことができるようになっている。
5. 検証
対象の学生に提案物を使う前と後で理解力を測るためのミニテストを行ったところ、提案物使
用後は大幅な理解力の向上がみられた。また、項目ごとに色が分かれていてわかりやすい、インフォグラフィックスが見やすかった、環境に対する意識が変わった、などのフィードバックがあった。
また、色々な端末で使用したい、というフィード
バックを受け、今後提案物を PC やタブレット版
での展開を考えている。
文献[1] 小石和成, 地球温暖化問題への大学生の知識と意識に関するアンケート調査の報告”,京都大学防災研究
所年報（2019）
https://repository.kulib.kyotou.ac.jp/dspace/bitstream/2433/181514/1/a56b0p57.pdf,( 参照 2020-12-20)[2]内閣府, “環境問題に対する世論調査”, 世論調査（2019）https://survey.gov-online.go.jp/r01/r01kankyou/index.html,(参照 2020-12-20）

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

ストレスを解消するためのツール: 楽しく集める旅日記シール
Stress Reliever Tool: Travel Sticker Book
16225 高田 麻以
指導教員 西野 隆司
1. 研究目的
近年働く人々を取り巻く環境は大きく変わっている。技術の進歩や、国際情勢の変化、社会構造の変化などに伴い、仕事の内容や、求められるスキル
は、目まぐるしく変わっている。そのことにより、仕事でストレスを感じている人の割合は増え続けている。また、ストレスの内容も多様化している。そこでストレスを感じている人達に少しでも安らぎを感じてもらうためのツールとして旅日記シールを提案する。
2.調査内容1.ストレスについて
厚生労働省の統計によると、精神疾患を有する
患者数は近年増加の一途をたどっている [1]。また、労働環境の変化に伴い、ストレスの原因や現れ方も変化してきている。全体の労働力が不足す
る中、一人ひとりの仕事の質と生産性の向上・効率化が求められた結果、個人が担う責任が増加し、それによって個人が感じるストレスが増大していると考えられる。
いつの時代も、職場での人間関係は誰にとっても大きなストレス要因となりえるが、近年のストレス要因は、より複雑化しており、その対処方法
も多様なものが求められている。
2.旅日記
旅日記は、紀行文という形で千年以上前から書かれている。旅に出て日記を書くことは、誰にでもある基本的な欲求であり、実際に近年ではブログなどのデジタルメディアを使って多くの旅日記が書かれている。一方、デジタルでの旅日記が増えるにつれて手書きの旅日記を作りたい、書きたいというニーズも高まっている。そのことを受けて旅日記専用のノートが商品化されている。ただ、まだ商品数は少なく、種類も限られていて、好みのものがない場合もある。
3.コンセプト及びアイデア展開
旅日記は、近年ブログなどデジタル的なやり方で作ることが多いが、手書きで作成することにより、感情の表現・発散がよりよく行われるようにして、ストレスの発散に役立つようにする。また、デジタル機器を使用しないことにより、普段の仕事から離れてリラックスできるようになると考えられる。手書きの旅日記を作成するにあたり、書き始めるまでのハードルを下げ、ストレスなく作成できるようにする必要がある。

‐41‐

4.最終提案旅日記の基本部分をシール化して、ノートに貼れるようにする。このことにより自分の好みのノートを旅日記として使用することが出来る。
ただし、実際に旅日記を書こうとしたとき、白紙の状態から書き始めるのはなかなか大変である。
旅日記を書き始めるハードルを下げるために、ある程度の情報をあらかじめ盛り込んだ旅日記シールを用意して提供する（図１）。シールにあらかじめ書く内容がある程度書かれて、それを参考に書いていくことで日記を書き始めやすくなるようにしている。項目やリストを作成してまとめると良いということで[2]、項目シール、イラス
トによる観光地コンプリートシールと書き方の手引きとした。観光地コンプリートシールは写真ではなく手書き感を重視するために手書きのイ
ラストシールとした。旅行雑誌の付録としてもよいと考える。コンプリートするために旅行をする
ような、きっかけとなればと考えている。

図１旅日記

観光地コンプリートシール

参考文献[1] 厚生労働省>専門的な情報>精神疾患のデータ>精神疾患の患者数 2 月 5 日 11：44
https://www.mhlw.go.jp/kokoro/speciality/data.html 日本語は
[2] k.m.p.・なかがわみどり・ムラマツエリコ 『誰にでも書ける！k.m.p.の、イラスト旅ノート。』 JTB パブ
リッシング 2016 年

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

料理をより簡単にするレシピ本
A Simple Recipe Book
16226 田丸 未来
指導教員 李 盛姫
1.研究目的コロナウイルスの影響で家に居ることが増えた。ずっと家にると自炊しなければならず、料理のレパートリーが無くなっていき毎日の食事に困った。その末に毎日毎日同じようなメニューになってしまった。リモートで様々なことを行うことが増え、家に居ることが多くなった人が同じよ
うに困っているのではと考えた。
2.調査内容2-1．一人暮らしの人はどれぐらいいるのか
一般世帯数を世帯人員別に見ると、世帯人員が１人の世代が 1841 万 8 千世帯で一般世帯の 3 割
弱と最も多かった[1]。
2-2．一人暮らしの食事に関する調査
平日/休日にとる食事を見ると、昼食・夕食は殆どの人が食べているが、朝食は食べている人は6 割程度で、特に休日の方が食べない人が多く、3 分の 1 以上が食べないことが分かった[2]。
2-3．一人暮らし自炊について
平日の朝食は「そのままの素材で食べられる物を食べる」が 4 割弱で最多だが、休日は「そのままの素材で食べられる物を食べる」と「料理を行い、食べる」が 3 割で同程度だった。平日の昼食
は「調理済みの物を買ってきてたべる」が 3 割強
で最多だった。一方で休日は「料理を行い、食べる」が 3 割強最も多かった。自炊をする理由については、男女共に「食費節約のため」が 6 割で唯一過半数を超える結果となった。次いで男性は「自分に合ったボリュームを用意できるから」が2 割、女性は「健康のため」が 3 割と多かった。
また、自炊しない・できない理由については、「時間がない」が 4 割と最も多く、次いで「準備が面倒」が 3 割、「片付けが面倒」が 2 割と、自炊が面倒という意見も多くみられた[3]。
2-4．レシピサイトへの不満
レシピサイトに関する調査では「検索」に関して、不便さを感じるという回答が最も多く、次いで、「レシピ」「料金」と続いた。「検索」に関する意見では「1 つの食材や料理から沢山の検索結果が出てきてどれにしたら良いかわからない」
や「似た検索結果ばかり出てくる」といったものが多かった[4]。
３.コンセプト
以上の調査から、「料理をしようとインターネ
ットで調べても数が多すぎてどれにしたら良いかわからない」や、「そもそも載っているレシピ
は、ある程度料理ができる前提のものもあり、時‐42‐

間やめんどくささの他に、初心者には難しい」等の問題があった。そのため、材料から調理する過程をなるべく簡潔にまとめ、見開きでページをめくる必要のないレシピ本をの構想に至り、それを作成する。
4.最終提案物
本のデザインは、食材を野菜、肉に分けて掲載した。色味は野菜の緑と肉のピンクをメインとした。また、中のレシピ部分は初めに使用する食材のイラストを大きく載せ、そこからに分かれた 3
つのレシピを、３つの手順を踏むことで料理が完成するようにした。また、イラストを多く使うことで、より直感的に分量が分かるようにした。手順も簡潔にまとめ、調理にかかる時間の目安も載せている。

図 1 レシピ本と見開きページ、イラスト原画

5.今後の予定
検証した結果、良い面として「3 工程で出来上がる気軽さが良い」や、「1 つの食材で 3 種類出
来るのがマンネリ化しない工夫があり、その日の気分で作れるのが良い」との意見がる一方、「他に魚介類や豆類、乾物などあれば栄養面もバッチリだったかもしれない」等の栄養面に関する意見もあった。このことを踏まえて、今後は魚介類等のレシピを増やし、栄養面をより考えて改良していきたいと考える。
文 献[1]“平成 27 年国勢調査”総務省統計局
https://www.stat.go.jp/data/kokusei/2015/kekka/kihon1/pd
f/gaiyou1.pdf(2020/04/27/13:43)[2] “一人暮らしにおける食生活の意識・実態調査”
FORDYShttps://food.fordays.jp/wpcontent/uploads/2018/01/resarc_
201801.pdf(2020/05/02/13:51)[3] “自炊に関する調査”research-plus
https://www.researchplus.net/html/investigation/report/ind
ex133.html(2020/04/25/15:50)[4]“「レシピサイト」に関する調査”ドゥ・ハウス
https://www.myenq.com/myresearch/resultsurvey/id_login.php?login_id=A4755379C(2020/09/09/11:30)

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

睡眠不足解消を促すツール
Tools to Help Eliminate Sleep Deprivation
16229 中村 春香
指導教員 李 盛姫
1. 研究目的
最近では「睡眠負債」という言葉がニュースで取り上げられるなど、日本人の睡眠時間の短さや健康被害が問題視されている。本研究では良質な睡眠を促し、健康的な生活を促進するための睡眠不足解消を促すツール制作を目的とする。
2. 調査内容
睡眠が人にもたらす効果には、脳で情報や記憶が整理されアイデアが思い付く事やストレスの疲労を回復させる。それに対し、睡眠不足
は日中の眠気や頭痛、吐き気、記憶力・思考力の低下など、体に悪影響をもたらす事が分かった。睡眠不足が睡眠負債に発展すると、集中力や免疫力の低下、認知症やうつ病などの重症を引き起こす。さらに、6時間睡眠を1週間続けると、一晩徹夜した人と同程度まで認知能力が低下するという。日本には睡眠時間６時間未満の人が約40%を占めている。成人に推奨される睡眠時間は7時間だが、多くの人が十分な睡眠が取れていない事が分かった。
以上の結果から、睡眠不足は非常に大きなデメリットをもたらすため、良質な睡眠を取る必要があると考え、睡眠不足・生活環境の見直しに着目した。既存の睡眠不足解消のツールの傾向として、睡眠状況を計測できるアラームアプ
リや睡眠不足の解消方法が記載されているWeb
サイトの記事も多くある。
しかし、問題点として、アプリは改善策が提示されていない事、サイトは多種の情報が一つにまとまっていなく、必要な情報を見返すには再び検索する手間が発生する。これでは有効な情報を知れない事や、有効な情報でも見ただけで終わってしまう事が理由で生活の改善に移せない問題がある。
3. コンセプト及びアイデア展開
社会人の睡眠に対する意識を変え、意図的により良い睡眠を促す事で生活の改善を図ることをコンセプトとする。既存のツールの調査から、睡眠不足解消には、必要な情報をまとめて見られるようにする事と、繰り返し見られる様にする必要があると考えた。そのため、提案物の形式は手軽にアクセスでき、多くの種類の情報を掲載できる利点を持つアプリに決定した。
4. 提案物

主に20代前半の社会人女性をターゲットに睡眠の状況に沿った眠りの情報を取り上げ展開する。実装する機能は、20代女性の生活や趣味に関連した快眠の方法を掲載する。掲載方法
は、個々の生活環境に沿った情報が見られ、質問に答えてアドバイスが確認できる形式の項
目、趣味のカテゴリーごとに安眠するためのポ
イントをまとめた項目の２つである。前者の睡眠の状況を確認できる質問の分岐チャートは、
ターゲットの抱える睡眠の問題や不眠症の文
献を調べ作成した。ビジュアルは夜の使用を考慮し暗い紫をベースに、眼への刺激が少ない色合いにした。

図1.提案物アプリ「Sleep」画面デザイン

5. 結論
制作したツールをターゲットの年齢に近い
女性と社会人女性に見てもらい意見を頂いた。
評価された点としては、「それぞれの情報がまとまり見やすい」「睡眠不足解消に参考になる」「ビジュアルで心が癒される」などが挙げられた。改善点は、実践した結果を記録できる機能が欲しいなどの意見を頂いた。本研究を通して睡眠不足解消を促すための情報を詳細に伝える事が確認出来た。今後実用化を考えるなら、
カテゴリーに載せきれていない有用な情報を掲載し、情報の数を増やす事を考えている。
文献[1]“日本人の4割近くが抱える睡眠負債。睡眠不足を解決するソリューションとは？”フィリップス(株)https://www.philips.co.jp/aw/about/news/archive/standard/about/blogs/smartsleep/20200422-suimin-fusai.htlm(2020/6/27/14:00)[2]“睡眠負債が招くリスク”フィリップス
(株)https://www.philips.co.jp/a-w/healthyjapan/sleep/risk-sleep-deprived.html（2020/6/27/14:00）[3]“不眠症”厚生労働省https://www.e-healthnet.mhlw.go.jp/information/heart/k-02-001.html（2020/7/07/14:00）‐43‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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車椅子利用者のためのモビリティ
Mobility for Wheelchair Users
16230 西村 雄也
指導教員 比留間 真
1.研究目的東京オリンピック・パラリンピック開催に伴い障害者スポーツへの関心が高まってきている。街中では、バリアフリーに関するものをよく目にするようになった。本研究では車椅子に注目し、車椅子利用者のためのモビリティの提案を行う。

4.最終提案

2.調査・分析
製品化されている車椅子について調査をおこなった。標準的な仕様には介助式・自走式・兼用型の三種類があり、他にも電動車椅子やスポー
ツ専用のものが存在している。また、実際に試乗体験を行った。そこで自分が思っていた以上に勾配を上り下りすること、ほんの小さな段差
を超えることがかなり辛いということがわかった。車椅子利用者が運転できる車両について調べた。国際規格を満たしている車椅子であれば使用することができ、車椅子に乗ったまま乗降できるが、乗降の際のスロープの勾配は解決されていない。

図１外観デザイン

図 2 乗降時の動き

3.コンセプトおよびデザイン展開「車椅子利用者が違和感なく使用できるモビリ
ティ」をコンセプトとして・車椅子のまま介助者なしで乗降できる・車椅子と同じ感覚で運転できるを目指しデザイン展開を行った
車体の動作を反映した外観デザイン
車椅子と同様に後輪はそれぞれ独立した動きができるよう、インホイールモーターにより駆動するシステムで、それにより車椅子と同様に点での回転が可能である。この特徴をベースに、車椅子専用のモビリティであることを主張する外観
デザインとした(図１)。
乗り降りのしやすさ
乗降の際フロア部分が水平に下がり、車椅子のままスロープを介さずに乗降をスムーズに行える構造とした（図２）。
操作方法
車いすの後輪がモビリティのローラー台に乗り車いすをいつものように漕ぐと力が伝わりモビリティが動くという構造である。使用用途が、近所への買い物など日常的な移動手段であることから、大切にしたのは車椅子と同じ感覚で使用できるという点である。

‐44‐

5.結論および今後の展開
本研究の目的である車椅子の上位互換のようなモビリティを制作し車椅子利用者に対しより快適な生活を送ってもらうことはおおむね達成できたと思う。実用化するにあたって生じる新たな問題点を解決していき、この提案をより現実的なものにしていきたい。
文 献[1]車椅子の選び方-車いす専門通販の車椅子卸センター
https://www.hukusi-orosi.jp/w
heelchair/00_other/choice.html[2]車椅子とスポーツ-車椅子便利帳
https://www.hukusiorosi.jp/wheelchair/matsuwaru/ts014.html[3] 欧州最大の福祉機器展「REHACARE（リハケア）2017」
車いすのまま乗り込むパーソナルカー「Elbee（エルビー）」 - Believe - ビリーヴ ジャパン Believe – ビ
リーヴ ジャパン https://believejapan.com/?p=2564[4]シティｰカー福祉車両 - Elbee - Elbee Mobility ガソリン / 後口
https://www.medicalexpo.com/ja/prod/elbeemobility/product-108146-782794.html[5]スチール製車椅子の利点と難点｜車椅子便利帳
https://www.hukusiorosi.jp/wheelchair/matsuwaru/me046.html

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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蚕と生活を繋ぐデザイン
The Silkworm Experience: From Culture to Production
16231 野口 主麿
指導教員 李 盛姫
1. 研究背景近年、人工増加や経済成長に伴い、世界のエネ
ルギー消費量は年々急増している。特に、私たちの生活や産業を支えている枯渇性資源の減少は問題視され、再生可能資源を利用した素材化への転換が強く求められている[1]。その中でもシルクは硬さや強さ、柔らかさのバランスに優れていることから構造材料としても応用可能な数少ない再生可能資源として注目されている[2]。日常生活にシルクを取り入れ、製品作りを行う手段として伝統産業の養蚕に着目した。本研究の目的は、蚕を通じて再生可能資源を日常生活に取り入れる魅力をデザインの力で提案することである。
2. 調査・考察
蚕を育てられる環境として蚕の飼育セットの調査を行った。一週間使用できる飼育セットで、蚕の飼育から繭を採取するまでの工程を簡単に行うことが出来る。しかし、これまでの飼育セッ
トでは、繭の採取が最終工程であり、シルクをとることは困難であった。それは養蚕が特別な技術や機械を用いる必要があり、素人が簡単に行える
ものではなかった。シルクを日常生活に取り入れるため、シルクの採取から製品作りまでの工程を、簡単に行える新たな養蚕を提案する。
3. 提案の方向性と検証
養蚕の一つである平面吐糸に着目した。平面吐
糸とは、蚕の習性として熟蚕になると繭を作り始めるという営繭をさせず、吐糸を平面的に行わせて、シルクを布状に形成させる方法である[3]。これを利用して作られるシルクの布を用いてラン
プシェードの製作を試みた。検証の結果、平面吐
糸によってほとんど手を加えることなくシルクの布を採取することが出来た。これを踏まえて、採取したシルクの布をそのまま挿入し使用できる構造のランプシェードを考察する。また、これらをまとめて行えるものとして、蚕の飼育セット、
ランプシェードが製作できるキットを 2 種類提案する。
ターゲットユーザーである二十代男性に一週
間蚕の飼育体験を行ってもらった。飼育は問題な
く終え、蚕を蛹にすることが出来た。また、製作キットでランプシェードの組み立てを行うことができた。
4. 最終提案
最終提案物は、蚕の飼育セット、ランプシェー‐45‐

ドを作るための製作キット、ウェブデザインの三種類である。
4-1. 一週間使用できる「蚕の飼育セット」を提案する。飼育箱の中に、ショップカード、リーフ
レット、蚕 20 頭入りケース、人口飼料を同梱する。リーフレットは 7 枚に分け、一日一枚ずつ取り出して使用できるカードタイプ形式である。
4-2. ランプシェードを作るための「製作キット」を提案する。製作キットの中に、ショップカード、
リーフレット、ランプシェードの素材を同梱する。
ランプシェードは採取したシルクの布をそのまま挿入し、使用でき、木材のみで分解、組み立てが出来る構造である。
4-3. 蚕と生活を繋ぐブランドとして「木の葉採り
月」を立ち上げ、ウェブデザインを行った。提案
物の販売とブランドの紹介を目的としている。

図 1 飼育セット（上段）と製作キット（下段）

図 2 提案物一式（左）とランプシェード（右）5. 結 論
今回提案したランプシェードの他にも平面吐
糸は団扇や造花などの製品に転用が可能である
ため、平面吐糸の可能性の検証をこれからも行っていく。新たな養蚕が、蚕と日常生活を繋ぐ存在になることを願っている。
文 献[1]“再生可能エネルギーをめぐる諸情勢”， 経済産業省
資源エネルギー庁（2014）
https://www.enecho.meti.go.jp/about/whitepaper/2010html/12-1.html (2020/9/10/10:24)[2] 吉岡太陽，亀田恒徳，田代孝二，“再生可能資源としての高タフネスシルク素材：分子レベルでの構造制御に基ずく創成”，農業・食品産業技術総合研究機構（2017）https://www.nanonet.go.jp/magazine/feature/nanotechpickup/8.html (2020/9/12/13:20)[3]“蚕の平面吐糸実験”，大学院芸術工学研究院バイオラボ(2019)https://www.kidnext.design.kyushuu.ac.jp/projects/1981 (2020/10/11/15:00）
2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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バイカーのための熱中症対策
Heatsroke Preventlon for Bikers
16232 広城 龍之介
指導教員 谷上 欣也
1．研究目的近年、地球温暖化が急激に進んでいる。これにより世界各地で海面の上昇や大雨による洪水、熱波による森林火災、干ばつなど様々な気象変動が起きている[1]。
研究を始めるにあたり自分が普段乗っているバイクに関連する問題点を抽出した。バイクによる事故の中でも熱中症によるものが増える傾向にあり、改善が必要である。そこで本研究では、日本で特に問題となっているバイクの熱中症問題提案に着目し、提案をおこなう。
2．調査内容熱中症は体内の水分や塩分のバランスが崩れ、体温の上昇やめまいなどのさまざまな症状を引き起こす。最悪な場合は死に至ることもある。こ
まめな水分補給やなるべく涼しい状態にすることである程度防ぐことが可能と言われている。
バイクは車とは違いクーラーもなく、すぐに水分補給ができないため、バイクの走行中に熱中症になり事故を起こし死亡した人も多い[2]。
信号待ちの時に水分を補給することは可能であるが、補給をしている時に信号が変わってしまうと後続車に迷惑がかかり、事故やあおり運転につながる危険性がある。バッグから飲み物を出す
行為は時間がかかるだけではなく、多くの危険に晒されることになる。また、ヘルメットにも種類があり、フルフェイスヘルメットでは、飲水がしにくいなどの問題点もある。
3．コンセプトおよびアイデア展開「簡単＆時短水分補給」をコンセプトとした。
一番飲水が困難なフルフェイスヘルメットでも飲水できるアイデアを展開した。ヘルメットにボトルを設置し、ウォーターノズル給水機に似た仕組みのものを取り付けるアイディアを考えた。
しかし、走行中に落ちてしまう危険性やヘルメッ
トが重くなり首が疲れてしまう、思うように水分補給ができないという問題があげられた。
そのためアイデアを考え直し、ボトルの形状、タンクバッグとボトルの関係性を見直し最終案へと進めた。

シートカバーとして使えるものを提案する。（図1）（図 2）
フルフェイスヘルメットをかぶっていても飲めるように噛むと隙間ができ、吸えるようになる
仕組みのストローを採用した。運転中はグローブをつけており、ボトルを持つと滑って落としてしまう危険性があるため中央部分をくぼませてホールド性を向上させた。
ボトルを速やかにとったり、飲水後に短い時間で仕舞えるようにタンクバッグにドリンクやタオルを収納できるポケットを付けた。
バイクに直接ドリンクホルダーを取り付けるのではなく、タンクバッグに収納できるようにすることで、バイクに乗っているとき以外でも熱中症対策が可能となる。このタンクバッグはバイクから離れる際には、ショルダーバッグとシートカ
バーに分離できる構造になっており、太陽によってシートが熱くなるという問題も回避できる。

図１

タンクバッグとボトル

図 2 ショルダーバッグとシートカバ

5．結論
最終提案物についてターゲットのバイカーにインタビューを行い、「走行中タオルが落ちてしまうのでは」という意見があった。
一方で「フルフェイスヘルメットでも気楽に簡単に飲めるのは嬉しい」や「夏場のツーリングで使いたい」など好評の意見をいただくことができた。この提案物によってバイカーは水分補給を自主的に行い、熱中症による搬送数を減らすことができるといえる。
文

献[1] 総務省消防庁：熱中症情報
http://www.fdma.go.jp/disaster/heatsroke/post3.
html(参照-2020-8-23)[2]交通事故弁護士ナビ：バイク事故の原因と死亡事故率｜事故を防ぐポイントとは
http://jico-pro.com/columns/70/(参照-2020-6-10)

4．最終提案
フルフェイスヘルメットをかぶっていても飲水可能なボトルと運転中はタンクバッグとして機能し、バイクを降りた後はショルダーバッグと‐46‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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廃棄となる花を使用した雑貨店のブランディング
Preventing Flower Wastage Through Branding Appeal
16233 細谷 瑠香
指導教員 李 盛姫
1. 研究目的
生花店では、美しく陳列された数多くの花があるが、これらの殆どは買われないまま盛りを過ぎ、廃棄されてしまう問題が存在する。本研究の目的
は、「廃棄となる花を減らすこと」である。廃棄となってしまう花をドライフラワーやプリザー
ブドフラワーに加工し、そこからアクセサリーや雑貨に生まれ変わらせ、廃棄となる花を利用して商品化する雑貨のブランディングを行っていく。
2. 調査内容
総合情報サイトである President によると、青山フラワーマーケットが発表した、当社が入荷した花の廃棄率は約 10％程となるが、老舗の生花店では約 30～40％の花が廃棄されている。廃棄されている花は個人需要となる店頭の花だけではなく、イベントや冠婚葬祭で装飾に使われた花も含まれる。こうした法人需要の花は綺麗に咲い
たまま捨てられてしまうことが殆どである。
次に、SDGs アクションプラン 2020 についての調査である。一般社団法人日本能率協会の調査によると、76.9％の企業が SDGs を知っていると答えたものの、具体的に取り組んでいると答えた企業はわずか 14.2%であった。また、日本国内でSDGs に向けた取り組みには偏りがある。ドイツのベルテルスマン財団と持続可能な開発方法ネットワーク(SDSN)が共同で発表した報告書によれば、日本は 2019 年より SDGs 達成度は伸びているものの、目標 5「ジェンダー平等を実現しよう」、
目標 12「つくる責任、つかう責任」、目標 14「海の豊かさを守ろう」においては達成度が低いと評価されている。本研究では、花の廃棄問題の対策に向けた活動の一環として目標 12「つくる責任
つかう責任」の生産消費問題に取り組むことができると考えている。
3. コンセプトおよびアイディア展開
提案物は、日本生花協会が生花店の生産消費対策としてのブランディングを想定している。一つの企業が取り組むより、日本生花協会によって花き業界全体に広めていくことで花の廃棄問題を抑制できると考えている。
雑貨の花は、生花店で廃棄となった花の中でドライフラワーなどに加工しやすい花を使用する。
20～30 代の流行に敏感で地球環境問題に配慮のある女性をターゲットとし、ギフト向けの雑貨を提案する。生花店の店頭で花と共に陳列させ、一緒に購入できる仕組みである。

‐47‐

4. 最終提案
ブランドのネーミングは、可愛らしい響きと柔
らかい雰囲気、覚えやすさのある『Luu(ルー)』と名付けた。「Luu」とは「小惑星」という意味があり、廃棄となる花たちが小惑星帯のように集まる場所の意味を込めている。ブランドのコンセ
プトは、「廃棄の花を知り、花を伝える」である。
ビジュアルアイデンティティであるロゴマーク、
ショップカード、ステーショナリーの他、ギフトボックスやメッセージカードなどを提案する。アクセサリーや雑貨がブランドのメイン商品となる。ターゲット層への検証により改善、意見導入を行い最終提案となった。

図 1 最終提案物「Luu」ブランディング一式

5. ヒアリングおよび今後の展開
ターゲット層である 20～30 代の女性 10 人にヒアリングを行ったところ、「生花を使用することで特別感を感じる」「ハンドメイドの希少価値がある」というプラスな意見をいただいた。また、「布製品の雑貨も見てみたい」という意見もあった。これらのヒアリングをもとに、更に雑貨製作を進めていく。
文 献[1]“縮小する花き業界で店舗 5 倍、年商 8 倍”，
President Online(2020)
https://president.jp/(2020/7/5/18 時 30 分)[2]“花きの現状について”，農林水産省(2019)https://www.maff.go.jp/j/seisan/kaki/flower/pdf/19
21_meguzi_all.pdf(2020/5/20/12 時 15 分)[3]“「花いっぱいプロジェクト」の取り組みについて”，農林水産省(2020)
https://www.maff.go.jp/j/seisan/kaki/flower/hanaprpject.html (2020/5/20/13 時 30 分)[4]“花き振興コーナー”，農林水産省(2020)
https://www.maff.go.jp/j/seisan/kaki/flower/hanaproject.html (2020/6/3/11 時 25 分)[5]“SDGs アクションプラン 2020”，SDGs 推進本部
https://www.mofa.go.jp/mofaj/gaiko/oda/sdgs/pdf/ac
tionplan2020.pdf(2020/7/2/18 時 30 分)

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

和歌を想像して楽しむカードゲーム
Enjoying Waka Poems through Cards
16234 牧薗 愛結
指導教員 李 盛姫
1. 研究目的
学習者が能動的に学習に取り組むためには、学
習意欲を高めるような動機付けが重要だと考えられている。そこで本研究は、近年注目されているゲーミーフィケーションの効果を和歌とカードゲームに取り入れ、中学生の学習の動機付けを支援することを目的とする。
2. 事前調査
平成 25 年度の「全国学力・学習状況調査」で、約 7 割の生徒が、古典について好きではないと示している。また、東京都の高校生を対象にした調査では、70%以上の生徒が「古典が嫌い」だと回答している。
群馬大学教育学部の古典についてのプログラ
ムアクションリサーチでは、学習は学習意欲を高めること、そしてそのための動機付けが重要であると述べている。慣れない古語に対し抵抗を感じやすく、古語の意味や古典文法に多くの時間や労力を費やす必要があるとされている。
信州大学教育学部「カードゲーム化によるカテゴリー教材の学習」では、 理屈抜きに人を楽しませるゲームづくりのノウハウである「ゲーミーフィケーション」を踏まえカードゲームを制作し、その効果について評価している。また、ゲームによる学習を行った方が学習者の学習意欲を高めると考察されている。
3. コンセプト及び提案の方向性
調査を踏まえ、「想像力を使って和歌を楽しむ」
をコンセプトとした。古典の学習の動機付けを支援するカードゲームを提案する。本ゲームは、和歌の内容をイラストを用いて想像すること、伝えることを軸とし、個人の感性で和歌を想像し、ゲームを進める。古典の中から百人一首の和歌を扱うことにする。百人一首は、殆どの中学校の授業で取り扱われ、かるた大会などが開催され、比較的身近な古典である。百人一首を扱い、和歌の学習の動機付けとする。百人一首をかるたとして遊ぶには和歌を暗記することが前提にあり、プレイ
ヤー間で大きくレベル感が出てしまう場合がある。そこで本研究は、個人の和歌に対する暗記力に関わらずに楽しめるカードゲームを提案する。
4. 最終提案
最終提案物は、カード３種類（イラスト札 16枚、和歌札 20 枚、詠み札 20 枚）、 ルールを記載したリーフレット 、外箱である。
カードゲームは、歌人になりきり、見た景色を想像する意味する、「なりきり歌人」と名付ける。
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図 1 最終提案物「なりきり歌人」カード

百人一首で多く使われているワードを抽出し、それらをモチーフにイラスト原画をアクリルガ
ッシュで制作した。イラストから和歌を想像しやすくするために、具体的なモチーフと、複数の見方が出来るイラストを札として用意した。16 枚のイラスト札について 30 人に調査したところ、共通の見え方をするイラストが 9 枚、人によっては複数の見え方をするイラストが 7 枚あり、検証の際にはどの札も偏りなく使われていた。
札の厚さは、百人一首のかるたを参考に、厚めのボール板を土台としている。和歌が書かれている札（和歌札と詠み札）は縦長の形にし、手のひらに収まるサイズを検証し、制作した。
5.今後の展望
実際にゲームをプレイしてもらい、「人によってイラストの見え方や和歌の解釈が違うのが面
白い」「想像力を働かせるゲーム」など、意見をいただいた。今後は、プレイヤーの想像力をより育ませ、学習の動機付けを支援するためにイラス
トの種類を増やしていきたいと考える。
文 献[1] 外山美樹，“自律的な理由で勉強することが適応的である”，ベネッセ教育総合研究（2015）[2] “これからの時代に求められる国語力について”，文部科学省（2008）[3] “新しい学習指導要領の考え方 -中央教育審議会における議論から改訂そして実施へ –”，文部科学省（2017）[4] “全国学力・学習状況調査質問紙調査”，国立教育政策研究所（2013）[5] 濵田秀,神野匡秀,阿部美咲,他，“古典についての学習
意欲を高めることをねらいとしたプログラムのアクションリサーチ”，群馬大学教育学部附属学校教育臨
床総合センター（2017）[6] 山内藍雅，島田英昭，“カードゲーム化によるカテゴ
リー教材の学習―絵画教材の学習事例と動機づけの評価―”，信州大学教育学部（2017）[7] 坂東智子，“中学生の古典学習に関する一考察”，兵庫大学大学院（2009）2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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フォトアルバムによる家族のコミュニケーション
A Photo Album That Strengthens the Parent-Child Bond
16235 宮坂 侑奈
指導教員 氏家 和彦

1.研究目的現代の家庭環境について調査をすると多くの家庭が「子供と向き合う時間が少ない」と感じていることがわかった。そこで、家族のコミュニケーションの機会、仲を深めるきっかけづくりになる物を提案したいと考えた。
2.調査内容小学生の子供を持つ20代から40代の母親にむけたアンケート（図1）を見ると、1日の会話
時間は30分から1時間という家庭が一番多く、3時間を超える家庭はわずかだとわかる。

そこで提案するのが「つくって楽しい、見て楽しい」フォトアルバムだ。切る、貼る、書き込む、の過程を通して、親子で楽しんでもらい、
その後飾れるとい特徴を活かしていつでも鑑賞出来るアルバムだ。具体的には、「誰でも簡単に作れる仕組み」として、色々な材料がセットになっていて、難しい作業を省くことを考慮した。更に、作った後そのまま飾れる形状ということで屏風型を採用している。(図4)

図4

図1「親子の会話に関する調査」より

更に、子供との会話を増やしたいかという質問には84％が「そう思う」と答えた。
また、その多くが会話時間を増やしたいと思っていても、その方法やタイミングがわからないのはないかと考えた。そして、これらの解決に有効なのが向き合い方の質をたかめることであり、その方法として「共同作業」「共視体験」がカギになるといわれている。
3.コンセプト
親子の「フォトアルバムの制作」「思い出を振り返り、会話のきっかけづくり」、「不足した子供と向き合う機会を増やす」
をねらいとする。ターゲットは未就学児から小学校低学年の子供を持つ家庭。
4.アイデア展開
現在のアルバムの制作状況を調べると、調査した家庭の半数以上がアルバムを所持していないことがわかった。(図2)また、制作頻度については定期的に制作する、という家庭はごくわずかであるとわかった。(図3)

図2
図3「フォトアルバムが育児に与える影響に関する検討」
より

‐49‐

アイデアスケッチ

5.最終提案・課題
手軽にフォトアルバムを制作できるキット(図5)を提案する。アルバム本体に加え、シールやスクラップペーパーだ。さらに制作のアドバイスや親子のコミュニケーションを促すガ
イドブックを提案する。

図5

提案作品

参考文献
[1]「親子の会話に関する調査」グリコ プッチンプリ
ン 2020.6.12
https://web.pucchin.jp/muffin/index.html[2]「フォトアルバムが育児に与える影響に関する検」
2020.6.12
大阪教育大学紀要第Ⅱ部門第65巻第2号1-8頁〈2017年2月〉小埼恭弘、城戸楓、石田文弥[3]「ウワサの保護者会」NHK Eテレ 2020.6.12「子どもと向き合う時間がない！」（2017年2月）
https://www.nhk.or.jp/hogosyablog/100/2629
19.html[4]「子どもの徳育に関する懇談会」 2020.12.1
文部科学省 子どもの徳育に関する懇談会(第11回)配布資料https://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/chousa/shotou/053/shiryo/attach/1282789.htm

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

ネット世代の親子への注意喚起に関する研究
Raising Awareness on Interenet Addicttion:
Materials for the Parents and Children of the Internet Generation
16236 宮崎 元太
指導教員 西野 隆司
1. 研究背景
私たちが普段利用するネットはとても便利な
反面、注意すべき点が複数ある。ネットの持つ二面性について、ネットついて学ぶ前にを利用する習慣があると、気付かないうちに危険な使い方をする可能性がある。しかし、多くの家庭でスマホやゲーム機など様々なネット接続手段があるにも関わらず、小学生以下などの低年齢層でネット
リテラシーについて学ぶ機会は少ない。ネットリ
テラシーに関する学習本は、小学生以上対象が多く、研究してみたいと考えた。
2. 制作手順
子供がデジタルデバイスに触れる前に親子でネットの二面性を学ぶことができる手段を模索したところ、絵本か漫画を製作することにした。
最初にラフを複数制作し、イメージを形にした。
ストーリーは、起承転結の 4 コマを最初に作成し、その間を繋げる形で作成を進めた。八王子コンソーシアムの質問を受け、以下の改善点が見えた。
①配布、販売どちらで考えているのか。
→色々な人に認知してもらいたいことを考え配布形態が良いと判断②SNS での問題については触れるのか→複数の利点、問題を載せる③二面性がテーマの割にネットの悪い側面を強く描いている印象→ネットの便利な機能の紹介を行う
これらの改善点から制作を本格的に進めていった。
3. 制作結果
見開き 36 ページの左手にイラスト、右手に文章を配置した構成の絵本を制作。絵本を選んだ理由は、近年問題になっている、端末を子供に見せて放棄する事態に対して、親子で読み聞かせを行う事で解決できるのでは、という狙いがある。タイトルは、試作のネットに対するマイナスイメー
ジのみが強い印象から、良い面、悪い面両方が伝わる印象に変更した。
最初にキャラクター紹介とネットの機能の紹介を行い、誤った使用例を提示し、注意点を記している。最後に大人向けの補足を行い、絵本と合わせて理解を示してもらう。
絵本の部分は、ストーリーの進行によって画面の色が変化する構成になっていて、心情を直感的‐50‐に伝える。解説部分は文字をベースにして、大人が読んだ時に漠然とした印象に納得を与える役
割になっている。
今回の絵本は配布を予定しており、HP からデータをダウンロードすることで印刷して絵本にできる形式を想定している。コンビニなど印刷する環境さえあれば、いつでも手に取って読み聞かせができるようになっている。

図(旧→新)イメージの変化

4. 研究結果
インターネットを使い始めるタイミングで、事前に学習をしている割合は少ない。最初はネットの問題についてのみ描こうと考えていたが、利便性も記す
ことで悪い印象のみを与えずに済む。絵本を制作する中で、最初から制作するよりも、途中を作って間を繋ぐと簡単であることがわかった。
5.今後の予定
八王子コンソーシアムの発表の後、市の職員の方から連絡があり、今回の研究を行政との連携を図る
可能性がある。その場合、検討しきれていない部分を更に詰めていきたい。
文献[1]内閣府政策統括官(共生社会政策担当)令和元年度「青少年のインターネット利用環境実態調査報告書 第二節
家庭のルールやインターネットの危険性に関する学習状
況,第 2 章 青少年の保護者調査の結果,第 3 章 低年齢層の子供の保護者調査の結果,第 2 節 インターネットに関する子供・保護者の認識」令和 2 年 4 月[2] 文部科学省平成 25 年度「通級による指導実施状況調
査」平成 25 年 5 月 1 日[3]関和之『学校では教えてくれない大切なこと⑫ネットのルール』旺文社,2016 年[4]つるみゆき『プロの現場から学ぶ! 絵本のつくりかた』
技術評論社,2013 年

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

日本製品をわかりやすくするピクトグラム
Pictograms that make Japanese Products Easy to Understand
16238 安江 樹
指導教員 氏家 和彦
合わせてシールにするという方法をとりました。
これにより、商品一つ一つに新しいピクトグラ
ムを作る必要がなくなります。

1.研究目的
本研究では、日本にしかない独自の製品の使い方を海外の方が説明なしでも分かるようにする事を目的として始めました。
2.調査内容
私が海外に行った際に、現地での物の使い方が分からず不便だったという経験があったため、気になりネットで同じような状況を調べてみた
ところ、日本に来てホテルに泊まる際、使い方が分からず困ったという外国人の方が多かったということを知りました。(図１)また、こんな時にはホテルのスタッフの方に使い方を教えてもらう人も多数いるようです。(図 2）

図1

図3

図4

動作、方向を表すパーツ

動作する物の位置を示したパーツ

5.最終提案物
先ほど説明した要素をピクトグラム化し、シールとして何らかの商品に張り付け、その組み合わせで商品の使い方を言語なしで伝えるというもの（図5）を制作しました。

公共施設の使い方がわからない時は？

図2

宿泊施設に求めるサービスは？

次に、わかりやすい表現の代表的な実例として、ピクトグラムについて調べてみました。ピ
クトグラムは、1964 年東京オリンピックの際に外国人観光客に向けて作られたのが始まりという事がわかりました。最近では、ピクトグラムを作る際に、まず対象物をを写真、あるいはイ
ラストに置き換え、それらのグラフィックスをもとに重要なパーツだけ残して簡略化し、さらに色を二色だけに分けることで完成させるのが一般的な制作手法でした。
3.コンセプト
様々な国の人にわかりやすい絵を使ったピクトグラムを作る。
4.アイディア展開
いろいろな商品に使えるように、それぞれの動作・方向を示したパーツ（図 3）と、その動作する物が配置してある面のパーツ（図 4）を

図5

最終提案作品の一例

使い方が複雑な商品のためには、何も書いていない無地のシールも作り、それに個人で使い方を描くことによってその商品に応じた説明をできるようにしました。
参考文献[1] 国によって意味が違うジェスチャー
https://business-textbooks.com/gesture100/[2] 観光客にわかりやすいサイン、ピクトグラムの使い方
https://kankou-redesign.jp/pov/6787/[3] 井上友義
ピクトグラムによるわかりやすいメッセージの伝達
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jkg/65/11/65_KJ00010079451/_article/-char/ja/‐51‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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アフターコロナ社会で円滑なコミュニケーションを築く新しいオフィス空間
A new office space to build smooth communication in post-coronavirus society
16239 栁澤 玲美
指導教員 坂元 愛史
1.はじめに新型コロナウイルスによって大きな影響を受けている今、わたしたちは日常生活において様々な感染症対策を行っている。オンライン化や障壁の設置など、実際に会わない・人の距離を離すといった対策が多く行われている。しかしこれらの対策は、わたしたちが今まで行ってきた五感による対面コミュニケーションの機会を減少させているとも考えられる。そこでオンライン化の恩恵を受けつつ、今までの対面コミュニケーションを維持していくことを目的とし、アフターコロナ社
会におけるオフィスワーキングにおいて、円滑なコミュニケーションを自然と構築する空間を提
案する。
2. 調査
■オフィスに関する意識調査
勤務形態の調査では、一度目の非常事態宣言後
東京では約 80%の企業がテレワークを実施。また
全国の企業の約 50%が時差出勤を実施した。新型
コロナウイルスへの対応を理由に、オフィス空間
を見直そうと考えている企業は、東京で約 81%、
東京以外の地域でも 70%を超える[1]。
■テレワークに関する調査
テレワークのメリットは、対面に比べて情報伝達度が高く、情報が正確に伝わることや、人と直接対面しないため、新型コロナウイルス対策にも優れている点である。
一方で、情報伝達の感覚が乏しく信頼関係が構築されにくいこと、また製品の見た目や大きさ・
触った感触などを感じ取ることができないなどのデメリットがある[3]。
■対面コミュニケーションに関する調査
人は対面でなければ取得できない五感によるコミュニケーションを無意識のうちに行っている。対面で会話をする時、わたしたちは五感を使い、言語・非言語両方の情報を取得し総合的に判断しながら話の進め方を瞬時に判断している[2]。
3.コンセプト「会議室に行く。から、会議室を作る。へ」をコンセプトとし、主に対面によるミーティングを円滑に行える空間をつくる。アフターコロナ時代の働き方では、多種なミーティングにおいて、適切なコミュニケーション手段を円滑に行える環境が必要である。会議室に入ってミーティングを行うのではなく、その時必要な広さの会議室を必‐52‐

要なだけ提供する。
4.最終提案
オフィス内で必要な広さの空間をつくる、持ち運び可能な大型パーテーションポールを提案する。カバーできる高さは 150cm～180cm の人の顔の高さ分である。最大約 2m 引き出すことができ、別のパーテーションポールに磁石で固定することで壁を簡易的に作ることができる。これをいく
つか繋げることにより部屋として使うことができる。また振動スピーカーを内蔵することで、パーテーション自体をスピーカーにし、雑音と逆位相の音を流すことでノイズキャンセリング効果が得られ、会議に必要な音の密閉性が保たれる(図)。

図

パーテーション使用写真

5.まとめ
オフィスで働く IT 企業のプログラマーの方に提案を評価していただいた。実際に会わければならない業務は多く、実用性もあるだろう。またプ
ログラミングをすることでパーテーションポー
ルの移動を自動化することも可能であり、タブレ
ット操作のワンタッチで会議室を作ることも可能だろうというご意見をいただいた。
文献[1]“アフターコロナの働き方について”, KOKUYO HP
今後の方針, https://www.kokuyomarketing.co.jp/column/cat69/post-37/ 2)（2020.7.12）[2]“コミュニケーションの種類”, 株式会社
HIPSTERGATE コラム, hipstergate.jp/column/online-faceto-acecommunication/（2020.9.13）[3]“ビジネスにおけるコミュニケーションコストについて ”, 株 式 会 社 楽 天 コ ミ ュ ニ ケ ー シ ョ ン ズ コ ラ ム ,https://comm.rakuten.co.jp/houjin/connectlive/column/single/v
ol07.html（2021.1.28）

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

新しい暮らし方へ繋がる家
House Design for a New Way of Living
16240 山口 陽楓
指導教員 坂元 愛史
1. はじめに
近年、ニュース等で「空き家の増加」や「独居の問題」が浮き彫りになっている。それだけではなく、そもそも人が生きる上で必要不可欠である「住」という存在が、未だに高級品である在り方にも違和感を持つ。そこで、自身の望む家にもっと手軽に住むためにも「日本の住宅の新しいあり方」について研究することにした。
2. 調査
2-1.日本の住宅のつくり
日本住宅のつくりは大まかに分けて 4 種類ある。最も多く使われているつくりは在来工法（木造軸組工法）で、柱や梁、筋交いなどを使い、空間上の点を結ぶかのように構成する。2 つ目は2×4（床壁工法）、3 つ目は軽量鉄骨造、4 つ目は鉄筋コンクリート造である[1]。
2-2.空き家について
空き家は、二次利用目的（不動産会社以外の所有者が管理する、別荘など）のない空き家が問題となっている。所有者が管理出来ず、無法地帯となった住宅に改善の余地がみられる[2]。
3. 現状の問題

撤去の手間が少なく、パーソナルスペースの自由度を高めることを目的としている。
構造は基礎として金属を井桁に組んだベース
盤を使用する。これは既存の技術としてトレーラーハウスの実績がある為、実証済みである。また、地に面する部分に車輪とジャッキを使用することで、水平を保つことと庭周辺の移動を可能にしている（図）。更に、ベース盤の井桁にツーバイ
フォーを差し込むことで、簡単に柱を建てられる仕組みになっている。
床、壁、天井部分はホームセンターで手軽に入手できる材料や環境を考慮すると成長が早く強度のある竹素材などの利用も可能だろう。

図

住宅にも寿命が存在する。一般的な木造住宅の場
合、標準耐用年数は 45 年である。基礎・躯体以外の部位だと、屋根が 20～40 年(瓦屋根は 30～40 年)
外壁は 20～40 年となっている[3]。
また社会的背景として、空き家問題の原因となる
少子高齢化社会問題が挙げられる。年々人口が減っている数値からも、早急に改善する必要があるといえる[4]。

4. 既存の解決方法
従来の住宅寿命より長い期間使用できるようにと、屋上性能が高いことをうたう「百年住宅」など、住宅の耐久性を向上させる考え方がある。
従来の住宅より比較的安価にしやすい住宅構造 の 一 つ に プ レ フ ァ ブリ ッ ク 住 宅 （ 英 ：Prefabricated House)というものがある。工場で住宅構造体を生産し、それを建築現場で組み立てるシス
テムで作られた住宅の為、コストパフォーマンス
に優れている[1]。
このような、既存の解決ではいずれも一定の金額を支払い、プロに施工をお願いするという点では、高級品である家の範疇を出ていない。
5. 提案
そこで、DIY 感覚で建物ごとアレンジできる、
少人数対応の小規模住宅を設計することにした。
住む人の人数や暮らし方の変化に対応でき、建設、‐53‐

新構造住宅モデル

6. 検証
一級建築士の資格を持つ、河合祐三様に協力して頂き、検証を行った。新型コロナウイルスの影
響により、職場から離れていても遠隔勤務が可能になった。それにより、住む土地や場所を自由に選択できることから、実現の可能性はあるだろうとのコメントを頂いた。
7. まとめ
基礎設置とその水平出し、柱を立てる施工という個人では難しい部分を簡略化することで、素人にも簡便に小さな建物が作りやすい状況を提供できることが分かった。
法律や耐候性などの課題はあるが、住宅の存在をもっと柔軟に考えるアプローチは今後も必要だと考える。
8. 今後の展開
自然災害が発生した直後の地域などでも使えるような気象問題に対する住宅性能の検討もしていきたいと考える。
文 献[1]馬場祐三,“家づくりの基本”,ニューハウス,2006[2]総務省,“平成 25 年住宅・土地統計調査（速報集計）結果の要約”,総務省統計局 速報集計結果,2014[3]国土交通省土地・建設産業局不動産業課住宅局住宅政策課,“期待耐用年数の導出及び内外装・設備の更新による価値向上について”,国土交通省,2013[4]岩佐 哲也,“共同住宅の空き家 約 460 万戸 について分析”,総務省統計局 統計 Today No.72,20132020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

癒し効果を取り入れた団扇
Uchiwa for Relaxation
16243 渡邊 美優
指導教員 比留間 真
1. 研究目的
新型コロナウイルスの影響で、ストレスを感じている人が増加している。過去に光の表情や自然の香りに癒された経験から、コロナ禍の生活ストレス改善にも役立てられるのではないかと考えた。本研究では、光と香りの癒し効果を活用し、日常生活を楽しむための道具を提案することを目的とする。
2. 調査・分析
新型コロナウイルス感染拡大前に比べ、在宅ワ
ークや外出自粛により、大幅に自宅で過ごす時間が増えたことで、室内での過ごし方が見直された。
ストレスの対処には、自然界の中にある「ゆらぎ」の要素がヒーリング効果に有効であることが明らかにされており、1/f ゆらぎの特性を持つ照明を用いた癒し空間の研究成果も報告されている。
また、日本人はもともと「光と影のうちにこそ美がある」といった美意識を持っており、生活空間に巧みに取り入れてきた歴史もある。一方、香りにおいても 1/f ゆらぎは有効である。森林浴の癒し効果では、木の香り(フィトンチッド)がストレスを感じた時に分泌されるコルチゾールの濃度を下げることがわかっている。
3. コンセプトおよびデザイン展開「癒し効果で在宅時間を快適に」をコンセプトに、自然の要素を風や光、香りで表現したいと考え、風が吹くとゆらゆらと揺れ、インテリアとしても楽しめる団扇を制作することとした（図１）。
光による癒しの演出：薄くて広い面を持つ扇部を光らせるために、エッジライティング効果のあるアクリル材を使用することとした。光源には、1/f
ゆらぎ特性をもち、気分に合わせて色を変えることが出来る LED を使い、扇部には鮮やかな発色とマッチする花火の柄を取り入れた（図２）。扇部の模様はバリエーションを展開し、季節に合わせて交換することができる。
持ち手の形状：光源のユニットが入ること、握りやすさ、風を受けて揺れることを配慮して、大きさや形状を検討した(図３左)。また、扇部の固定部分は、外周と柄全体に光が均一に行き渡るように、光源に対して切り欠いた形状とした。持ち手部は分解すれば光源のユニットと扇部の交換が可能(図３右)である。また、握り心地や触感に配慮して檜を丸みのある形状に仕上げた。
香りによる癒しの演出：持ち手部に檜のアロマオ
イルをつけることで、仰いだ時だけではなく置いていても香りを楽しめるようにした。
‐54‐

4.最終提案

図１.インテリアとしても楽しめる団扇図２.暗闇の中でのエッジ
ライティングと花火図３. 持ち手の形状(左)と持ち手内部の構造(右)5. 結論および今後の展開制作した団扇を対象と考える第三者に見てもらい、意見を頂いた。花火の柄が綺麗、インテリ
アとして置け、檜の香りが良いなどの点が挙げられたことから、目指していた癒し効果の得られるものを制作でき、研究目的はある程度達成されたと考える。問題点は、男性と女性とで手の大きさが違うため、持ち手の大きさや形状の検討が必要であることなどが挙げられた。今後商品化するのであれば、問題点を改善し、季節ごとに扇部の柄を増やしていくことも検討したいと考えている。
文 献[1] obata.“光による癒し効果”.シンフォニックガーデ
ン.2018.
https://symphonic-garden.biz/blog/2018/02/22/post-3463/,（参照 2021-02-02）[2] 駒嵜雅則.新澤誠久.中村達朗.今野紀子.島田尊正.宮保憲治. 1/f ゆらぎ特性をもつ LED 光の心理・生理学的
影響・生理学的影響の検討.平成 20 年度電子情報通信学会東京支部学生会研究発表会.2009,https://www.ieice.org/tokyo/gakusei/activity/kenkyuuhappyoukai/happyou-ronbun/14/pdf/36.pdf,（参照 2021-02-02）[3] 瀬川遼.宮下広夢.坂内祐一.岡田謙一. 1/f ゆらぎを用いた香り提示手法とその評価.香りと生体情報研究会.2009,http://www.mos.ics.keio.ac.jp/scope_HP/paper/b16.pdf,（参照 2021-02-02）

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

2020年度

電気工学科

卒業研究

テーマ一覧

学籍番号

学生氏名

テーマ（和文）

16301

青木 大知

クラウド型バイタルサインチェックデバイスの開発に関する研究

16302

飯塚 大峰

高齢者向け健康器具の提案

16303

石井 優歌

Scratchを用いた中学生向けプログラミング教材の開発

16305

井上 智樹

イメージセンサを用いた遠隔操作義手の開発

16307

江口 大地

電動カート用物体認識システムの構築

16308

大塚 光斗

レーダによるコンクリート診断

16311

奥濱 栄智

青山学院構内遺跡における探査研究

16313

菅野 峻矢

汎用一眼カメラを用いた血行動態変化の可視化に関する検討

16314

紀伊 翔太

健康吹矢における視覚障害者向けの照準補助器の改良

16316

後藤 大我

p型及びn型Mg2Si0.25Sn0.75の同時焼結の検討

16317

古德 啓吾

画像計測および脈波センサを用いた学習活動時理想姿勢の模索

16318

小林 重貴

直列接続方式ウィンドファームのための自励式同期発電機を用いた風力発電装置のシミュ
レーションモデルの開発

16319

齋藤 颯汰

自動制御教育のための２輪駆動ロボットの計算機シミュレータの開発

16320

坂口 凜

ヒレ型遊泳ロボットを用いた組み込みシステム入門教材の開発

16321

坂本 大空

直列接続方式ウィンドファームのためのループ式直流送電システムの定常特性に関する研
究

16322

櫻井 大己

残留磁化による落雷の研究-人工試料の改良-

16325

鈴木 裕貴

DSC用ディップコーターの開発

16327

田中 柊次

直列接続方式ウィンドファームのためのループ式直流送電システムの実験用供試装置の開
発

16329

土川 泰宜

マグナス波力発電装置の実験用マグナスタービンの開発

16330

寺田 瑞樹

自動運転模型に向けた制御システムの検討2020年度

電気工学科

卒業研究

テーマ一覧

学籍番号

学生氏名

テーマ（和文）

16333

中村 利輝

白狐塚遺跡における磁気探査

16335

花山 優輔

磁気物性を用いた産地黒曜石の研究

16336

古田 友木

電動カート向けステレオカメラによる画像処理及び操舵システム

16337

町田 侑作

GPS受信機を使用した時刻同期型運動解析システム -観測装置の開発及び解析-

16340

保田 一城

電子レンジを用いたコーヒー焙煎における撹拌の効果

16341

山口 達也

ヒラムシロボットの自律的運動制御に関する研究

16343

山本 啓太

FETを用いた2周波擬似サーキュレータ回路の提案

16344

山本 悠月

直列接続方式ウィンドファームのための自励式同期発電機を用いた風力発電装置の実験用供試装置の開発

16345

吉田 隆ノ介電動カートにおける操舵・制動システムの電動化

16346

米長 亮一

振動水柱型マグナス波力発電装置の開発

15325

沢田 翔吾

衛星放送電波による局所的降水観測システムの改良

15319

久保薗 颯馬

低次高調波除去単相インバータ回路の検討

18901

榎戸 悠真

低次高調波除去単相インバータの転流角度の検討

15307

岩堀 峻也

健康吹矢における視覚障害者向けの的の製作

15311

大圖 知聖

誘導型磁気浮上推進装置の回転機構の構築

15316

小野寺 瞭

LiDARを用いた車両の自動ブレーキシステムの構築

15343

藤岡 大輝

誘導型磁気浮上推進装置の動作制御の構築

サレジオ工業高等専門学校

クラウド型バイタルサインチェックデバイスの開発に関する研究
A study on development of a cloud-based vital sign checking device
16301 青木 大知
指導教員 吉田 慧一郎
1. 緒 言近年，医療における電子化は年々増加傾向にあり，病院や医療所における電子カルテの普及率も年々増加傾向にある [1]．また，新型コロナウィ
ルスの影響により，対面を避ける機会が増えている．しかし，バイタルサインチェックは各患者に対して対面で行われており，計測したデータ等は手打ちで電子カルテに転記を行っている．これは感染リスクが非常に高く，入力作業の負担とデー
タの転記ミス等の問題点がある．これを解決するためにバイタルサインを計測し，管理するデバイスは他社から製作および販売はされたものの，非常に高価なものとなっており，広く普及しなかった．これらの問題を踏まえて，本研究では，バイタルサイン(体温，脈拍，酸素飽和濃度，血圧)の計測を自動で行い，データ管理を行うことができるデバイスを安価で開発することを目的とし，バ
イタルサインを計測し，管理するデバイスの開発
および既製品との比較検討を行った．
2. 研究の流れ
本研究ではパルスオキシメーター，体温計の製作を行い，既製品との精度比較実験結果を行った．
精度比較実験は製作品したパルスオキシメータ
ーおよび体温計と既製品のパルスオキシメータ
ーおよび体温計で交互に計測を 30 回行った．計
測したデータから平均および標準分散，標準偏差，
平均誤差率の算出を行い製作品と既製品との精度比較を行った．
3. 製作物と精度比較実験結果
本研究で製作したデバイスを図 1 に示す．①で示した部分が体温計測部であり，②で示した部分
がパルスオキシメーターとなっている．①で示した体温計部分を 2 分間脇に挟むことで体温を計測することができ，②で示したパルスオキシメー
ターは 1 分 45 秒間指サックに指をはめることで脈拍および酸素飽和濃度を計測することができる．計測で得た体温，脈拍および酸素飽和濃度は
wi-fi モジュールを介してサーバーにアップロードする事でデータの管理を行う．

①②

体温計の統計データを表 1 にパルスオキシメー
ターの統計データを表 2 に示す．表 1 より体温計において平均は近い値となっており，標準分
散および標準偏差も大きくなく，平均誤差率も大きくないため十分な精度で計測ができている．表 2 よりパルスオキシメーターにおいて脈拍及び酸素飽和濃度において平均は近い値での計測ができているが，脈拍における標準分散が大きく脈拍の計測値においてばらつきがあることが分かる．それ以外は酸素飽和濃度における標準分散および標準偏差に加えて脈拍における標準偏差も大きくなく，平均誤差率においても小さな値なため、十分な精度であると言える．
表 1 体温計の統計データ
製作品(℃)
既製品(℃)
平均

36.041736.1133

標準分散0.096180.04049

標準偏差0.310130.20122平均誤差率

0.1972表 2 パルスオキシメーターの統計データ
製作品

既製品

HR(bpm)SｐO2(%)

HR(bpm)SｐO2(%)

平均

68.06

96.96

69.8

97.53

標準分散

108.0

0.30670.108

0.007259

標準偏差

10.39

0.55380.32860.085201

平均誤差率

2.380

0.5834

4. 結 言本研究では，バイタルサインの計測を自動で行
い，データ管理を行うことができるデバイスの開発および既製品との比較検討を行った．酸素飽和濃度および体温では十分な精度での測定が可能だが，脈拍においてはばらつきがある．また，価格は約 3357 円で製作できたため，従来の製品に比べ比較的安価であるといえる．
5. 今後の予定
今後，本研究では製作したバイタルサインチェ
ックデバイスに血圧計および Sigfox の導入を行う予定である．
参考文献[1] 厚生労働省， “医療施設調査”， (2020.12.12)
URL:https://www.mhlw.go.jp/stf/seisakunitsuite/bunya/kenkou_iryou/iryou/johoka/index.html

図 1 製作した体温計およびパルスオキシメーター‐55‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

高齢者向け健康器具の提案
Proposal of a health appliance for the aged
16302 飯塚 大峰
指導教員 風間 俊哉
1. 緒 言高齢者の体力や身体機能の低下は、廃用症候群の一つと考えられる一方で、身体行動の調整や決定に関わる認知機能の低下と考える事もできる。このような観点から、身体機能と認知機能の関連に注目が集まっており、高齢者福祉施
設ではコグニサイズと呼ばれるリハビリテーシ
ョンが取り入れられるようになってきた。これは、身体機能、認知機能の維持向上の為に、歩きながらしりとりをするなど、運動をしつつ認
知課題をこなしていくリハビリテーション手法の一つである[1]。コグニサイズの目的は運動で体の健康を促すと同時に、脳の活動を活発にする機会を増やし認知症の発症を遅延させることにある。本研究では、このリハビリテーションを補助する健康器具の開発を目標とする。
2. 方 法コグニサイズとして必須の要素は以下の２つである：①運動をしながら認知課題をこなすタスクであること。②タスクの認知課題は同じ課
題をやり続けるものにならないようにすること。
②は同じ認知課題を続けることで慣れが生じてしまい、認知課題によって脳機能を活発化させる効果が薄れてしまうからである。この２点を加味したタスクとして、テレビゲームのようなものが考えられる。すなわち、PC の画面に出題される認知課題に対し、手元のタッピングマシ
ンで身体を動かしながら解答してもらうというものである。本研究では、このコグニサイズを実施する健康器具として、認知課題を出すコン
ピュータプログラム、手元のタッピングマシンを製作する。
3. 製 作 物
具体的に想定したコグニサイズは次のようなものである。PC の画面上に円が２つあり（図2A）、左側の円が規則的に明滅する。利用者はこのリズムに合わせて、手元のタッピングマシ
ンを叩く。明滅のタイミングと実際に叩いたタイミングが合うと、画面上にある得点欄に点数が加算されていくというものである。例えば、
図 2B は、タイミングが合わなかった時で、得点は０点のままである。一方、図 2C は、タイ
ミングが合った時で、１点に加算されている。
コンピュータプログラム開発には Processing[2]を用いた。また、タッピングマシンとしては、
圧電スピーカ SPT08（SPL Limited 製）を用いた。
PC と タ ッ ピ ン グ マ シ ン の 接 続 は マ イ コ ン（Arduino Uno [3]）を介して行った。圧電サウンダからマイコンへの入力が一定の閾値を超えた時に反応するプログラムとした。
振動センサ
マイコン
(Arduino)‐56‐

Processing による
開発環境

PC

抵抗

PC と USB 接続

図 1 センサ Arduino PC の接続図

A

C

B

図2

Processing によるアプリケーション画面（A：通常状態
B：タイミングが合わなかった時
C：タイミングがあった時）

4. 結 言センサ、Arduino、Processing を用いて認知課
題を表示し、運動を以てそれに応えるコグニサ
イズを行うことができる器具の開発をした。運動によって反応するセンサには太鼓のように叩く・手に付けて拍手をする・足に付けて足踏みをするなど様々な運動で入力できるよう振動センサを使用した。認知課題では認知症と関連深く加齢によって低下しやすい遂行機能を活用し脳活動を活発化させることができる。
文

献[1]予防老年学研究部,”認知症予防に向けた運動コグニサ
イズパンフレット”,国立長寿医療研究センター(2019),[2]田中孝太郎,”Processing アニメーションプログラミン
グ入門”,技術評論社,(2011)[3]小林茂,”Prototyping Lab”,オイラリー・ジャパン,(2017)2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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Scratch を用いた中学生向けプログラミング教材の開発
Development of Programming Training Tool for Junior High School Students Using Scratch
16303 石井 優歌
指導教員 水谷 浩
1.緒 言
2021 年より中学校でのプログラミング教育が必修化される[1]。2013 年 4 月に第六回産業競争力会議[2]が開かれた。産業競争力会議とは日本経済本部の下、内閣総理大臣をはじめとする構
成員によって執り行われる会議である。我が国
産業の競争力強化や医療技術や AI 技術等の国際展開に向けた成長戦略具現化と推進として七つの提案事項が挙がった。そのうちの一つがエンジニアの質・量ともにレベルを大幅に向上させるための「義務教育過程等における IT 教育の促進」である[2]。
これを受け文部科学省では、プログラミング
教育を通して人工知能(AI 技術)やデジタル化社
会の基盤となる「論理的思考力（プログラミン
グ的思考力）」や「コンピューターを活用する力」を養うべきとしている[2]。
【「論理的思考力」及び「コンピューターを活用する力」を育める、かつ希少性・実用性・ゲーム性を持たせ複数のコードの代表的な動作を体験から楽しみながら理解できる中学生向け教材の開発】が本研究の目的である。
2.方 法
本教材は中学生またはプログラミング初学者向けである。 Scratch[3]を用いた短編ロールプ
レイングゲーム風の教材とし、楽しいと思える要素を教材に加えた。Scratch とは、ビジュアル
プログラミング言語[4]を用いたフリーで使用できる開発環境である。Python や Java などの一般的なテキスト言語[4]を用いる他の開発環境に比べて、初めてゲーム開発を試み場合に相応しいと判断した。
また、様々なプログラミング言語の実行方式
や記述量、汎用性、を比較し、学習言語を選定した。その結果、インタープリタ方式による実行方式で、記述量が少なく、現代技術における汎用性・実用性の高い Python が相応しいと判断した。プログラミングには様々な命令がある
が、学習者にプログラミング学習の入り口として、「print」「int」「while」「input」「if」の 5
種類のコードの基礎を習得させることを到達目標とした。命令文の意味をゲーム内のキャラク
ターの動作で表現することで、体験から学習できるシステムとした。
3.プログラミング教材の開発
前述の目的に沿って本研究では Scratch を用いた中学生向けプログラミング教材を開発した。

命令文「while」を例に挙げてフローチャートと共に説明を記す。「while」は、指定した条件式を満たす間、指定した動作を繰り返す命令文である。この動作を、本教材内でも同様に条件を満たしている間キャラクターが同じ動作を繰り返すよう表現した。具体的には、主人公がロボットに近づくと「四回通るまで繰り返します」と言う動作が四回繰り返される。その後、条件を満たさなくなった時に次へと進む。

図 1 命令文 while をゲームに実装したフローチャートと
プログラム

4.結 言
本研究では以下に記す要素を組み込みながら、Scratch を用いた中学生向けプログラミング
教材を開発した。
「使用者が正しい選択をした場合に先へ進む
論理的思考力を養うシステム」「プログラミン
グ学習によるコンピューターを活用する力の向上」「現代技術の進歩に乗じた学習言語の選定」「ロールプレイング風ゲーム型教材」
故に、本研究では目的に沿った教材の開発ができた。
5.今後の予定
中学生やプログラミング初学者にプレイしていただき実際に楽しんでもらうことや、教材にフィードバックをかけることを予定している。
文 献[1]文部科学省(H29)”中学校指導要領 解説 中央審議会答申”(pp.48-49)[2]三木谷浩史 (H25,4,17)” 第 6 回産業競争力会議提出資
料「科学技術イノベーション・IT」”(p.16)[3]MITlab (H16,2,14) Scratch “Retrieved from Scratch”:
https://scratch.mit.edu/[4]エム・アール・アイ リサーチアソシエイツ株式会社(H28,3,31)”プログラミング教育の実施状況に関する現状調査”(p18)‐57‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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イメージセンサを用いた遠隔操作義手の開発
Development of a remote control prosthetic hand using an image sensor
16305 井上 智樹
指導教員 吉田 慧一郎
1. 緒 言新型コロナウイルス感染拡大の影響により，リモートワークが広まった一方で医療・介護従事者のリモートワーク普及率は他の業種に比べ非常に低い[1][2]．これらの業種の従事者をサポートするため，仕事を補助するロボットなどは開発されているが，各状況に応じた直感的な動作を行うことは難しい．そこで本研究では，初めて機器の操作を行う使用者でも簡単にセットアップを行う事が可能であり，実際の手で作業を実施するのと変わらない直感的な操作を実現する制御シス
テムの開発を行った．
2. システム製作
手の形状を認識するセンサには LeapMotion[3]を利用し，ロボットアームの制御には Arduino を使用した．LeapMotion から Arduino に角度データを送信するプログラムは Processing で作成した．
また，ロボットアームとして公式サイトにてオー
プ ン ソ ー ス で 3D デ ー タ が 配 布 さ れ て い るInMoov を用いた[4]．

図 1 LeapMotion と Arduino

3. 実験方法
システムの作成はベースとなるプログラムを開発し，そこに順次機能の追加や改善を行い開発している．そのため，機能追加や改善後に 30 回の指の開閉動作の認識と動作確認を 1 セットとして行い，その結果の比較検討を行った(図 2)．

図 2 動作実験の様子

4. 結

果

表 1 使用者ごとの認識精度の比較
A
B
C
D
precision[%]
83.3
93.3
86.6
96.6
Average[%]90.00000

表 2 左右同時認識時の左右の認識精度の比較
R1
R2
R3
L1
L2
L3
precision[%]86.7 86.7 93.3 90.0 93.3 86.7
Average[%]
88.9
90.0

表 2 は左右同時認識時の左右の認識精度の比
較実験の結果である．実験は左右の手の認識と動作の測定を 3 セット同時に行った．結果からもわ
かる通り，左右同時認識時でも片手認識時に比べ認識精度の大きな差は確認できず，左右の認識精度の差はないことがわかる．
表 3 動作遅延の計測結果
指の動作
～手の認識

手の認識
～動作開始

動作開始
～動作終了

Average[F]2037Delay[ms]320592
表 4 試作品と従来品の動作遅延の比較
Average[F]Delay[ms]試作機

InMoov 標準

36.7
587

37
592

表 3 は動作遅延の計測結果である．動作遅延は
人差し指の開閉を動画で撮影し，その動画を解析するという方法で行った．結果より動作遅延の大部分は認識に由来するものではなく動作そのものの時間であることがわかる．そのため機構を改善した試作機との比較が表 4 である．サーボは同じものを使用しているが，動作時間に差は現れず，
動作遅延改善にはサーボの交換が必須であることがわかる．
5. 結 言本研究では，手指の非接触認識を用いた遠隔義
手の制御システムの開発を目標として，プログラ
ムの作成と動作実験を行った．その結果，使用者
や手の左右により認識精度に大きな差は出ない
ことがわかった．また，動作遅延の大部分はサーボの動作速度によって引き起こされ，改善するた
めにはサーボの交換が必要なことが分かった．
6．今後の予定
LeapMotion と Arduino 間の通信改善やインターネットを用いた無線化にも取り組んでいく．
文 献[1] 内閣府: “令和 2 年 6 月 21 日新型コロナウイルス感染症の影響下における生活意識・行動の変化に関する調査” （令和 2 年 6 月 21 日） ,p15[2] 厚生労働省:“新型コロナウイルス感染症に伴う医療関連の支援について”,pp.2-3[3] LeapMotion, (https://developer.leapmotion.com/)[4] InMoov, (https://inmoov.fr/)

E90

表 1 は 5 人の使用者による認識精度の差の比較を行った結果をまとめたものである．5 人の認
識精度は 83％～96%程度とまとまっており，使用者による認識精度に大きな差はないことがわか
る．

‐58‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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電動カート用物体認識システムの構築
Study of Object Recognition System for the Electric Cart
16307 江口 大地
指導教員 井組 裕貴
1. 研究背景・目的
近年、日本では高齢者による自動車事故の発生割合増加が深刻である。本研究室ではこの問
題の解決策の一つである自動運転システムの構築を目指している。様々なセンサやシステムによっての制御が必要であるが、本研究ではレベ
ル 3 システムに必須な画像認識システムの構築を目的とする。標識や信号機などを認識させ、対象や対象までの距離によって制御を行う。また、構築したシステムを既存の電動カートに搭載することで実走試験を行い、本校校内における自動運転レベル 3 の実現に向けた画像認識シ
ステムを目指す。
2. 方 法
本研究では YOLOv3 および YOLO v3-tiny [1]という物体認識アルゴリズムを用いて機械学習を行い、この認識データから、Arduino Uno を介してブレーキとなるアクチュエーターを制御する。自動運転レベル 3 では様々なセンサとのセンサフュージョンが必要なため、ROS を使用
して構築を行う。学習時に使用するパソコンのプロセッサはコア i7、32GB、グラフィックボー
ドは Geforce RTX2070super である。認識させる
クラスは、令和二年度から過去十年間の警察白書記載の統計データを基に、特に重大事故に繋がりやすい原因を抜粋した[2]。
3. 結 果YOLO v3 で学習させた物体認識クラスは 24クラスとし、学習に使用したデータは公道で実際に写真を撮影した。学習枚数は 12000 枚以上
で、各クラス平均して 500 枚を目安に学習させ、一致率の芳しくないものは特に多く学習させた。
例えば標識や信号機は 300~400 枚程度だが、歩行者や自動車はそれぞれ 800、1400 枚程度認識させる必要があった。結果、平均適合率は 78%であった。一般的に平均適合率は 80％以上が望ましいため、今後さらなる学修が必要である。
また、車載性を考慮し、今回はこの 24 個のクラスからより重要度の高い 12 個のクラスを抜粋
して YOLO v3-tiny での学習を行った。実験結果
より、色彩のはっきりした物体は比較的一致率が高い傾向にあることが判った。また、矢印型
信号機や、寒冷地などにみられる縦型信号機に関しては一致率が 30~60%であった。YOLO v3
によって物体認識した結果は GUI では、認識対象がクラス名と一致率の書かれた Bounding boxに囲われての出力が確認できた。
‐59‐

表1

図1

物体認識クラス

平均適合率損失関数

YOLO v3 では 30%以上の一致率が出力された
際から Bounding box によって出力するよう設定した。

図2

進入禁止標識図3

自動車の認識結果

カート制御では、Jetson nano 上で YOLO v3-tiny
によって認識したデータから、ROS を用いて、Arduino Uno からアクチュエーター（Firgelli
FA-35S-12-4）を制御した。対称物体との距離が近くなると、Bounding box のサイズが大きくなるため、一定の面積を超えた際にアクチュエー
ターに信号が送られ、ブレーキがかかるようにプログラムを作成した。
4. 結 論本研究では、電動カートにおける自動運転レ
ベル 3 の制御を目的として実験を行った。現段
階では、12 種類の認識クラスが電動カートの制
御条件となっており、これらの動作が確認できた。
文 献[1] Joseph Redmon, Darknet: Open Source Neural
Networks in C, http://pjreddie.com/darknet,
2013—2016[2] 警察庁,“令和 2 年度版警察白書”, 2020
https://www.npa.go.jp/hakusyo/r02/pdf/08_dai
5sho.pdf
2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

レーダによるコンクリート診断
Diagnosis of concrete structures by GPR
16308 大塚 光斗
指導教員 泉 吉紀
1.背景1970 年代の高度経済成長期に作られた多くのコンクリート構造物は，2020 年には 50 代を迎え
老朽化してくるものが多い．これらの構造物を新規に作り替えるには膨大な費用と時間を有し，我が国がおかれている財政状況では極めて困難である．そこで既存のコンクリート構造物に対しては，適切な診断を行い，構造物の安全性を長期的に点検することが重要である[1]．
現在の点検方法は打音法や目視による点検が主流であるが，検査結果に個人差が生じ，点検精度にばらつきが起きているのが現状である[2]．
本研究では非破壊検査で用いられる，地中レーダ（Ground Penetrating Rader: GPR）探査法を使用
し，コンクリート構造物内部の鉄筋や電気配線などの位置を特定するだけでなく，雨水や風化による浸食，経年変化によるコンクリート内部の劣化状況を診断する手法の検討を目的とする．
2. 研究方法
本研究ではサレジオ工業高等専門学校のコン
クリート構造物を対象に実験を行った．コンクリート壁面に測定範囲を設置し，実験 1 では測定間隔 0.05[m]，測線間隔 0.15[m]で壁面に劣化部分が見られない場所の診断をした（2020/10/05）．実験 2 では測定間隔[0.05]，測線間隔 0.05[m]でクラック（ひび割れ）とエフロレッセンス（コンクリート内部の水酸化カルシウムが水分とともに表面に移動して乾燥し析出したもの）がある場所の測定を行った（2020/12/02）．
探査装置には Sensors&Software 社 PulseEKKO
1000 の 1200[MHz]を使用した．測定日の天候は実験 1 では晴天，実験 2 では雨天であった．実験
1 のコンクリートの厚さは約 23[cm]，実験 2 の厚さは約 24[cm]であった．図 1 に測定風景と代表的な測定範囲を示す．

記載する．図 3 では Line10 の GPR profile 図（左）との Timeslice 図（右）（約 8[cm]～12[cm]）を記載する．GPR profile 図，Timeslice 図共に色の濃淡で反射強度の強弱を表している．
図 2 左図では約 20[cm]に 8 本，図 3 では約25[cm]間隔に 5 本の鉄筋の反応が明瞭に捉えられた．また図 2 右図ではコンクリート内部に異常は認められないが，図 3 右図ではコンクリート壁
面の内部に反射の弱い領域が確認された．これはコンクリート内部の水によるレーダ波の減衰と考えられる．エフロレッセンスは内部の水酸化カルシウムが水分とともに，表面に移動して生成されるため，これらの結果はコンクリート内部が浸水していることを示す．またクラックの深度は約0[cm]～約 15[cm]にあると考えられる．
上記の結果より， コンクリート壁面に劣化部分がない実験 1 と劣化部分がある実験 2 では明確な差異が確認された．

図 2 実験 1 の結果

図 3 実験 2 の結果

4. 結論
本研究では，コンクリート壁内部の鉄筋の位置と劣化状況の診断が可能であった．今後は，コンクリート内部に人為的に劣化状況を作り，反射パ
ターンを検討することで，より効率的な手法が開発できると考えられる．
文 献
図 1 測定風景と測定範囲

3. 結 果図 2 に実験 1 の Line10 の GPR profile 図（左）と Timeslice 図（右）（約 10[cm]～約 15[cm]）を‐60‐[1] 松村英樹, “コンクリート構造物の点検・調査・診断技
術の現状”,新構造技術株式会社(2001)[2] 松井精一・山田祐一・長田文博, “低周波弾性波を用いたトンネル覆工コンクリート内部の劣化診断手法”,
西日本旅客鉄道株式会社，2003
2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

青山学院構内遺跡における探査研究
GPR survey of Aoyama Gakuin campus
16311 奥濱 栄智
指導教員 泉 吉紀※都合により原稿はありません。

‐61‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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汎用一眼カメラを用いた血行動態変化の可視化に関する検討
Examination on Visualization of Hemodynamic Changes Using General Single-Lens Camera
16313 菅野 峻矢
指導教員 𠮷田 慧一郎
1．緒 言
近年、夏季の暑さは非常に厳しいものとなってきており、それに伴って熱中症患者の増加が報告されている[1]。通常、体温が上昇すると皮膚直下の血管が拡張し、血流量を増加させて熱を発散するが、血流量を増やすと熱を運ぶ血液が不足してしまう。さらに発汗も伴うため水分を失い、効率よく熱を発散することが困難となり熱中症を発症する。また、熱中症は広い年齢層で起こりうる症状であり、本人の自覚を伴わないまま症状が悪化することも多い。
そのため、症状が進行する前に定量的な察知を行い、未然に防ぐ技術が必要となってきている。
そこで本研究では、近赤外線撮影を可能にした汎用一眼カメラを用い、肉眼では捉えることが困難な血管領域を運動前後で撮影・取得し、運動前後での血行動態変化の可視化を行った。
それらより、熱中症等の未病を行うシステムの構築を行い、本システムの有用性を検証した。
2．方 法
近赤外線撮影は、赤外線カットフィルタ除去
改造を施した EOS RP(Canon 製、撮像素子サイ
ズ 35mm、画素数 2620 万画素)を用いた。レンズ(Canon 製 E24-70 F2.8 L II)には波長 840nm 以
下の光を遮断する可視光線カットフィルタ(FUJIFILM 製、IR84)を装着、赤外線投光器または自然光を光源に撮影を行った。また、露出など環境光の変化に影響を受けないよう、計測毎に反射率 50%のグレーカード(銀一製、Ver.2
060012)を同条件で撮影した。撮影時の画像形式
は無圧縮形式である RAW 形式とし、解析にあたり、PC 上で血管のある任意の箇所で 600×600
ピクセルの範囲を切り出し、8bit の TIFF 形式に変換、グレーカードの反射光強度を基準とし、サンプル画像の正規化・反射率の算出を行った。
実験は、下記の 3 通り実施した。
① 暗室内での計測(右前腕部)② 暗室内での計測(足裏部)③ 屋外での計測(右前腕部)
各々、運動前後に対象部位を赤外線撮影し、実験前後の計測結果画像を比較、血行動態変化
を求めた。
3．結 果
結果の一例として、③の実験における血行動
態変化を示す。実験は、20 代前半の健常男性を対象とした 75 分間のサッカー競技であり、図 1(a)は運動前、図 1 (b)は運動後の結果である。結果は、反射率の空間分布を示しており、図 1 (a)は曇り、図 1 (b)は日没後と、光線状態が安定しない環境での撮影であったが、共に肉眼では確認できない血管分布を確認することができた。
運動前後の結果画像上では、血管部分がその他の周辺組織部分よりも反射率が低く算出されていることが分かる。これらは、血管中に含まれるヘモグロビンの高い光吸収を反映したものである。また、運動に伴い血管領域の面積拡大(血管拡張)および反射率の減少が確認されており、運動に伴う血流増大(血行動態変化)が示唆され
た。

(b)

(a)
図 1 運動前後比較結果

4．結 言
本研究では、赤外線カメラに改造した汎用一眼カメラを用いて、運動前後での血行動態変化の可視化を行った。③の屋外の光量などの条件が安定しない環境上においても運動前と運動後を比較すると、血流量の変化と血管径の変化が確認された。これにより本システムにて運動時の血行動態変化を可視化できる可能性が示された。しかしながら、急激な温度変化などの環境変化が生じた際に正しい比較が困難であることも判明した。
5．今後の予定
今後は一眼カメラの優れた拡張性を活かし、ストロボなどの外部光源を用いた撮影など画質を安定させる工夫を行っていく。また、血行動
態変化と熱中症の発生し易さの関係性を明らかにすることで、汎用一眼カメラを用いた熱中症
防止システムを確立させていく予定である。
文 献[1] 環境省：“熱中症環境保健マニュアル 2018 熱中症はどのようにして起こるのか”, 熱中症予防情報サイト,
pp.0002–0009(2018)https://www.wbgt.env.go.jp/pdf/manual/heatillness_manu
al_1-2.pdf(参照 2020.11.02)‐62‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

健康吹矢における視覚障害者向けの照準補助器の改良
Functional improvements on the supplementary sighting device designed
for the visually impaired in Wellness Fukiya
16314 紀伊 翔太
指導教員 風間 俊哉
1. 緒 言近年の技術革新は、障害者もスポーツを競技者として楽しめる環境をもたらしている。吹矢もその一つであり、盲人や弱視の人でも楽しめ
る競技となってきた。視覚に障害がある場合、吹矢において最大の難しさは的に照準を合わせることである。この問題を解決するため本研究室では照準補助システムの開発を行っている。
昨年度はレーザーポインタと画像処理を用いたシステムを開発した[1]。これは筒の先端にレーザーモジュールを搭載し的に向けて照射、カメラによる的の撮影画像をパソコンで解析することでレーザーが当たった位置を特定し、競技者に音声で伝えるものである。弱視、全盲の方々を対象にした体験会を実施した結果、吹矢がこれまでより楽しくなったという意見が得られた
一方で、次のような要望があった。「レーザーモジュールの取り付け部分がしっかり固定されておらずやり辛い」、「自分の吹く息の強さに応じてレーザーモジュールの角度を変えられるようにしたい」。本研究では、こうした「固定方法の問題」解決と、「角度調整機能」追加をすることで、照準補助器をより使いやすいものに改良することを目的とする。
2. 方 法
旧モデルにおいて「固定方法の問題」の原因はレーザーモジュールの取り付け方にあった。
すなわち、筒にレーザーモジュール基板を取り付ける際、結束バンドにより固定していたためである。これは専用の固定具が必要であると考えた。また「角度調整機能」については、レー
ザーモジュールの照射方向を筒に対して角度を変えられるような機構が必要であると考えた。
これらの点を加味し、3D プリンタを用いて新規に専用のレーザーポインタ固定具を開発した。
さらに、旧モデルでは配線部分がむき出しの状態であったため、配線が切れてしまう恐れもあっため、専用の電池ボックスも新規に作製した。
3D モ デ ル の 設 計 を 3D CAD （ Fusion 360,
Autodesk）で行った。3D モデルの作出を 3D プ
リンタ（Ender 3, Creality）で行った。
3. 結 果製作したレーザーポインタ固定具を図 1 左に、電池ボックスを図 1 右に示す。
レーザーポインタの角度調節は、筒に固定する部分とレーザーポインタ取り付け部分を分離‐63‐

し、両者を取り付ける部分で回転できる機構を導入することで実現した（図 2）。また、筒に取り付ける穴は、筒の外径に合わせて作出した
ため、ぴったりと筒に固定することができた。
電池ボックスはスイッチも基板も収納できるため、配線が露出せず、装着した際も旧モデルにくらべてすっきりとしたデザインになった（図3 右）。

図 1 製作したレーザーポインタ固定具（左）と電池ボックス（右）図 2 レーザーポインタ角度調節が可能なモジュール
下方向に 30°（左）、上方向に 30°（右）させた時

図3

旧レーザーモジュールとの比較

4. 結 言本研究では、体験会で得られた要望を叶えられるよう照準補助器の改良を行い、新たにレー
ザーポインタ固定具と電池ボックスを 3D プリ
ンタで作成した。また吹き矢歴 1 年の方にテスト運用を行ってもらった結果、旧レーザーモジ
ュールに比べて、モジュールがしっかりと筒に固定できており扱いやすいという意見を得た一方、旧レーザーモジュールよりも重量が重く感じたという意見も得られた。
文

献[1] 笹本喜介, “健康吹矢における視覚障害者向けの照準
補助器の開発”, サレジオ工業高等専門学校卒業論文(2019)

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

p 型及び n 型 Mg2Si0.25Sn0.75 の同時焼結の検討
Examination of simultaneous sintering of p-type and n-type Mg2Si0.25Sn0.75
16316 後藤 大我
指導教員 加藤 雅彦
1. 緒 言熱電材料とは熱エネルギーと電気エネルギーを直接変換する特性を持つ材料であり、幅広い種類の物質が存在する。その中で、原材料が豊富で環境負荷が低く、中温域で高い熱電特性を持つ、
Mg2(Si,Sn)系熱電材料に着目した。この材料で p/n型一体焼結体を作製しようとすると、p 型と n 型
焼結体の融点の差が原因となり、同一温度で焼結ができないという課題が存在した。そこで、本研
究では、先行研究[1]で作製した同程度の融点を有する p 型と n 型 Mg2Si0.25Sn0.75 の同時焼結の条件について検討し、熱発電モジュールを作製することを目的とした。また、作製したモジュールの出力特性について評価した。
2. 実験方法
同程度の融点を有する p 型 Mg1.98Si0.245Sn0.75
Ag0.02 と n 型 Mg1.97Si0.245Sn0.75Sb0.005 それぞれ単体の焼結体を作製した。作製手順は、原料の秤量、
仮プレス、粉末合成、粉砕・造粒、冷間プレス、焼結の順に行った。次に、p 型と n 型それぞれの造粒粉末を U 字型ダイスの先端で分岐して充填し、一体焼結体を作製した。冷間プレス条件は230MPa で 10 秒間行った。焼結条件は 3.5h で700℃まで温度を上げ 700℃で 5h 保持した後400℃で 3h アニールを行い、その後自然冷却をした。一体焼結体は空気中で p/n 接合部をホットプ
レートで加熱し、温度差をつけ、この時の電圧を可変抵抗とマルチメータを用いて V-I 測定をした。その後、一探針法による内部抵抗測定と XRD分析を行った。
3. 実験結果
一体焼結体の作製に成功することができた。しかし、完成した一体焼結体は n 側の表層がもろく、表層が剥がれ落ちてしまった。この他にも出力が低いなどの問題点が発見された。これらの問
題点を解決するためにそれぞれ条件を変えた一体焼結体を 7 個作製した。一体焼結体 1 号から 4
号まではプレス時に改善点があると考え、プレス
圧の増加やプレス時のダイスの平行度の改善を行った。その結果、出力は大きくなったが表層はめくれ上がったままだった。一体焼結体 5 号から
7 号は焼結時に改善点があると考え、焼結時に表層がめくれないようにアルミナ基板で試料を挟むようにして炭素管の奥に入れ焼結を行った。その結果、表層に傷はなく、出力が向上した一体焼結体を作製することができた。次に一探針法による内部抵抗測定を行った。この結果、測定した全‐64‐ての一体焼結体で n 型側の内部抵抗が大きいことが分かった。その後、一体焼結体 5 号の XRD
分析を行ったところ出ているピークは単体焼結と同一であったが、Sn の析出量が多くなっていた。そこで Sn のピークを小さくするため、焼結温度を 700℃から 650℃に下げて焼結を行った。
その結果、Sn のピークは一体焼結体 5 号に比べると小さくなり、表層に傷はなくさらに出力が向上した一体焼結体を作製することができた。図 1に一体焼結体 8 号の完成写真を示す。表 1 に一体焼結体 1 号～8 号までの V-I 特性結果及び観察結果を示す。

図 1 一体焼結体 8 号の完成写真
表1

V-I 特性結果及び観察結果

4. 結 言同時焼結による Mg2(Si,Sn)の p/n 型一体焼結体を作製することができた。しかし、n 型の抵抗値が高く、出力が出ていないためまだまだ改善の余地がある。今後の展望としては n 型の組成の見直
しや 650℃で長時間の焼結を行うことで n 型の抵抗値を小さくすることが考えられる。
文 献[1] 小橋冬威, “p 型及び n 型 Mg2Si0.25Sn0.75 の同時焼結の検討”, サレジオ工業高等専門学校, (2020).

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

画像計測および脈波センサを用いた学習活動時理想姿勢の模索
Searching for the Ideal Posture During Learning Activities Using Image Measurement
and Pulse Wave Sensors
16317 古德 啓吾
指導教員 吉田 慧一郎

図1

表1

Time[min]
10
20
30
40

実験結果

LF/HF
18.124549.7143
30.3747
21.7484

hip
90
120
95
100

knee
85
100
110
100

Angle [°]

200

neck

150

knee

100

hip

50
0

neck
175
150
165
159

LF/HF
0

10
図2

20

30

Time [min]

40

60
50
40
30
20
10
0

LF/HF

1. 緒 言我々学生が授業を受ける際の居眠りは長年問題視されている。この居眠りは、学生の大部分が少なくとも一度は経験しており、居眠りは学業面においても悪影響を与え、学業への学習習
熟度の低下が懸念されることから、授業中の居眠り問題の早急な解決が学生・教員から強く求められている。これら居眠りの原因として、「寝不足等に起因する生活サイクルの乱れ」「疾患に起因する眠気」「周辺環境の酸素濃度に起因する血行動態の悪化」「姿勢に起因する血行動態の悪化」等が挙げられる。そこで本研究では、
姿勢と学習時の理想姿勢の模索を生体情報計測から実施した。
生体情報の計測における問題点は、心臓の鼓動の不安定さであり、様々な状況下で変化する。
この心拍変動は神経系を反映しており、自律神経である副交感神経と交感神経のバランスが反映される。心拍変動の一般的な計測では心電図を用いる方法があるが、学習環境に用いるには大掛かりでコストも高い。一方で、光電式容積脈波記録法（PPG）による脈波変動（PRV）を利用した計測方法が報告されている [1] 。このPPG 法は脈波センサを指尖に装着するだけでデータを取得できるため、本研究では学習環境に導入しやすく実施も容易な指尖容積脈波方式による自律神経の評価を試みた。
2. 方 法
本研究では、ROME 社製の光電容積脈波セン
サ(H1792GLC-EVK-001)および Arduino uno を用いて計測した脈波データ、OpenPose による
姿勢・角度推定を行った動画データを取得および解析した。取得した脈波データはストレス指
標 LF/HF として算出するため、脈波センサにより得られた離散データを高速フーリエ変換し、交感神経 LF、副交感神経 HF を得た。これら
LF/HF と姿勢のデータの相関関係より、学習活動に有用な姿勢の検討を行った。
3. 結 果50

LF/HF,姿勢の相関関係

図 1 に実験の画像取得および Open pose の骨格推定の様子を、表 1 および図 2 に被験者のス
トレス指標（LF/HF）および Open pose による姿
勢の角度（腰、膝）の相関関係の一例を示す。
骨格の推定線が途切れてしまっている箇所は分度器を用いて補完した。結果では、睡眠時に
LH/HF が大きく増加しているのに対して、膝、腰の角度が増加、首の角度が低下した。後半はLH/HF の低下に対して腰の角度が増加、首と膝の角度が低下した。
4. 結 言本研究では、安価な指尖容積脈波計測装置を用いて、心拍変動からストレス指標を測定した。
実際の学習活動時を想定した姿勢と脈波との相関関係を調査することで、学習活動時の有用な姿勢の検討を行った。その結果、 首、腰の角度に呼応する LF/HF に与える影響が大きいことがわかった。首の角度が小さく腰の角度が大きいと副交感神経が優位であり、首の角度が大きく
腰の角度が小さいと交感神経が優位であることが示唆された。以上より首（150°～180°）腰（85～95°）であれば、交感神経を優位にでき学習活動に有用な姿勢を実現できるという結論に至った。
文 献[1] 高津浩彰,宗像光男,小関修, “心拍変動による精神的ス
トレスの評価についての検討”, 電学論 C,120 巻 1 号(平成 12 年) 閲覧日付 （2/4）

10[min]間隔の姿勢変化‐65‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

直列接続方式ウィンドファームのための自励式同期発電機を用いた風力発電装置のシミュレーションモデルの開発
Development of a Simulation Model for a Wind Turbine Generator Based on Self-Excited
Synchronous Generator
16318 小林 重貴
指導教員 山下 健一郎
1. 緒 論近年、風力発電はそのフィールドを洋上にも拡大し、世界中で導入されている。本研究室では巻線型同期発電機(WRSG)を自励式同期発電機として風力発電システムに使用することを目的に、図1(a)に示すようなシステムについて種々な検討を行っている。同装置は風車、巻線型同期発電機、直流系統連系用のダイオード整流器(REC I)、発電機励磁用のサイリスタ整流器(REC II)などで構成される。先行研究において図 1(a)の構成では、
REC I と REC II が互いに干渉しあい低風速域で動作が困難であることが明らかになっている[1]。
そこで本研究では、各整流器が互いに干渉しない
励磁システムを提案する。また、提案方式のシミュレーションモデルを構築し、その有用性の検証を行う。
2. 広範囲動作可能なサイリスタ励磁システム
提案するサイリスタ励磁システムは、図 1(a)の発電機出力端子 A に相互誘導を有するリアクト
ル(DR)を新たに設けた構成となっている。図 1(b)にその構成を示す。DR は等価的に負の等価インダクタンスを発電機側に有しており、これによって発電機の初期過渡インダクタンス Ls”を相殺することができる[1]。その結果、REC Ⅱの入力端子は REC I の高調波歪みの影響を受けないため、風力発電装置は広範囲で動作が可能となる。
3. シミュレーションモデルを用いた理論的検討
提案方式の有用性を確認するため、理論的検討に必要となる本システムのシミュレーションモ
デルを構築した。図 2 に提案システムのシミュレ
ーションモデルを示す。同モデルはMATLAB/Simulink/Simscape を用いており、発電機や各整流器の電流、電圧実効値のみならずこれ
らの瞬時値(波形)も計算することができる。また、
図中の V wind の値を変えることにより、風速変化
に対するシステムの諸特性を計算することができる。なお、同モデルは同期発電機の残留磁束を模擬するため、界磁電圧が 0 の場合の内部誘導起電力 RF(単位表現)を考慮している。図 3 に基本
方式と DR を用いた提案方式の各サイリスタ整流器入力側線間電圧波形 vex を示す。
図 3(a)より、基本方式では、RECⅡの入力端子電圧に REC II
だけでなく REC I の高調波ひずみも表れている‐66‐

Notes – L1, L2: self-inductances,
M: mutual inductances(a) Basic system(b) Propose system

図 1 自励式同期発電機を用いた風力発電装置

motiita

図 2 提案方式のシミュレーションモデル

motiita

System conditions (constant):
Output: Vout = 73.9(V),
Iout = 2.03(A), f = 21.2(Hz),Pout = 242(W)(a) Basic system

System conditions (constant):
Output: Vout = 73.6(V),
Iout = 2.02(A), f = 21.8(Hz),Pout = 242(W)(b) Propose system

図 3 サイリスタ整流器入力側の各線間電圧波形のに対し、
図 3 (b)より DR を用いることにより、
REC Ⅱの入力端子電圧には REC I の高調波ひずみが表れないことがわかった。
4. 結 論
本論文では、自励式同期発電機を用いた風力発電装置の各整流器が互いに干渉する問題を改善するために新たなサイリスタ励磁方式を提案した。また、同装置のシミュレーションモデルを構築し、その有用性を検証した。その結果、提案方式ではサイリスタ整流器の入力端子電圧にダイ
オード整流器の高調波ひずみが表れていないことが明らかになり、同装置の有用性が確認できた。
文 献[1] K. Yamashita, Y. Yamamoto and S. Kobayashi,“Performance Improvement of a Wind Turbine Generator
Based on Self-excited Synchronous Generator for Seriesconnected Wind Power Plants,” ICEMS 2020, Hamamatsu,
Tokyo, Japan, Nov. 2020.

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

自動制御教育のための２輪駆動ロボットの計算機シミュレータの開発
Development of the two-wheel-drive robot simulator for automatic control education
16319 齋藤 颯汰
指導教員 風間 俊哉※都合により原稿はありません。

‐67‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

ヒレ型遊泳ロボットを用いた組み込みシステム入門教材の開発
Development of introductory-educational materials for embedded systems using fish robot
16320 坂口 凜
指導教員 風間 俊哉
1．はじめに
家電、産業用ロボットなど、現在の私たちの身の回りには、コンピュータが組み込まれ制御されている機器が数多くある。このように特定の機能を実現するコンピューターシステムのことを組
み込みシステムと呼ぶ。組み込みシステム開発においては、プログラミングの知識だけでなく、センサやアクチュエータなどの知識が必須となる。
本研究では、高等専門学校の低学年を対象として、こうした前提知識を楽しみながら学べる教材を開発することを目的とする。
2．教材の設計
教材はヒレ型遊泳ロボット(図 1)をベースに構成されている。後方に取り付けられたサーボモー
タのホーンにゴムシートが取り付けられ、サーボ
モータの往復運動が魚の尾ヒレのような動きを生み出し推進する。搭載されたマイコンにより、サーボモータ往復運動の振幅、振動数、振動中心（オフセット）を設定することができる。このロボットに着脱可能な各種センサモジュールを付属することで、様々な外部入力に応じたロボットの運動制御が体験できる。学習者はアクチュエー
タへの外部出力、センサからの外部入力、さらに入力に応じて出力を変化させることで、プログラ
ミングの基礎知識を学ぶことができる。さらに基本的なセンサの取り扱い方についても学習することができる。また 2020 年のコロナ禍という社会背景で増加している遠隔会議システムを用いたリモート理科体験教室でも扱えるものとした。

図１

ヒレ型遊泳ロボット

3．センサモジュールの製作とデモンストレーションプログラムの開発
今回新たに各種センサモジュールを開発した。
各モジュールで取り扱うセンサと体験できるデ
モンストレーションプログラム（以下デモ）は以
下の通りである。
光センサ（図 2-a）：光の方向に向けて泳ぐデモ。
距離センサ（図 2-b）：障害物回避をするデモ‐68‐を作成した。
加速度センサ（図 2-c）：大きな波に揺られると、モジュールに取り付けられた LED が光るデモを作成した。
音センサ（図 2-d）：拍手すると遊泳方向を変えるデモ。
各デモを実施する上で前提となる知識や、プログ
ラムを記載した指導書を作成した。

a

c

光センサ

b

距離センサ

加速度センサd 音センサ
図 2 各センサモジュール

4．教材評価
教材の評価を行うために、サレジオ高専の学生（電気工学科 2 年生 1 名）を対象に体験会を実施した。体験会はリモート理科教室を想定し、Zoom
を用いて行った。講習後のアンケートでは４つのセンサのうち加速度センサだけ理解ができなかったと書かれていた。これは、今回加速度センサ
のみ、センサの入力に対してヒレの動作を変更するようなプログラムではなかったため、他のセン
サと同じ理解レベルでの学習ができなかったためと考えられる。
5．まとめと今後の展望
遊泳型ロボットに、新たに開発したセンサモジ
ュールを加え、プログラミングやセンサの基礎知
識を習得できる教材を開発した。体験会を実施し教材の評価を行った。
文

献[1] 小林茂， “Prototyping Lab「作りながら考える」ための Ardino 実践レシピ”， 株式会社オーム社， pp．
95-96 (2017)[2] 渥美颯汰朗， “ヒレの形状に着目したヒレ型推進機
構の性能評価実験”， サレジオ高専電気工学科 2017年度卒業論文 (2017)2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

直列接続方式ウィンドファームのための
ループ式直流送電システムの定常特性に関する研究
Steady-State Characteristics of a Loop-Type High-Voltage Direct Current
Transmission System for Series-Connected Wind Power Plants
16321 坂本 大空
指導教員 山下 健一郎

‐69‐

#n

#1

#1 #2 ... #n

...

...

Notes- Id: dc line current, Pinv: inverter output power, vr, ir, Pr: AC
grid phase voltage, current, and output active power, iSM, PSM:
synchronous machine (SM) current, and output active power.

図1

ループ式直流送電システム

表1

表 3.1 概要
システムの定常方程式

Imaginary terminal μ phasevoltage 𝑉𝜇Vμ =and leading angle 𝜂as𝛾 = Ed -Armature induced voltageof synchronous machine(SM) 𝑉𝑖Vi =Armature induced
leading angle 𝜀

3
π

1

Ed =

as

3 6 VμIr

asI

Xs cos φr / as Vr + r Xs sin φr
asu = γ - cos-1

2

as

as

Ir

, 𝜂=

,

I

3 6

2

Xs cos φr

Vμ + r XT sin( η +φr ) +

3aaT

π

Ir

+

π

XT +Xα Id𝜀 = η+ tan-1

Inverter dc side voltage 𝐸𝑑
and total dc link
voltage 𝑉𝑑

2Ias Vr + r Xs sin φr

Thyristor inverter leading
angle 𝛾 and overlapping
angle uIr
as

6 XT +Xα

Id + cos γ

3Vμ

XT cos η+φr +XT Iμ2I

XT cos η +XT Iμ / Vμ + r XT sin ηas3Vμ cos γ + (XT +Xα )Id ,Vd = Rd Id +Ed

π

ISM =
Fundamental component of
the armature current 𝐼𝑆𝑀

Fundamental componentof the lagging angle 𝜁

3aaT

6Id
π

sin γ-

𝜁 = ε-η+ sin-1

u
2

2

I

+ r sin η+φr

+ Iμ -

as

3aaT

6Id

ISM

π

sin γ-u26Idπ

cos γ-u2I+ r cos η+φr

2

as

I

+ r sin η+φr
as

SM output active power 𝑃𝑆𝑀 ,AC grid active power 𝑃𝑟 ,and input DC power 𝑃𝑖𝑛𝑣

PSM = 3Vi ISM cos ζ ,Pr = 3Vr Ir cos φr ,Pinv = Ed Id

Pr

500
400

PSM

300

Pinv

200
100
0

0

50

100

150

200

250

Inverter dc side voltage Ed (V)300

Leading angle of the inverter (deg.)
Overlapping angle ofthe inverter u (deg.)

Notes- φr: power factor angle of the AC grid, Xα , XS, XT: equivalent
reactances of the transformer, a: turn ratio of the transformer, aS, aT:
proportional constants of the exciting circuits.
Output active power Pr (W)Active power of SM PSM (W)Input dc power Pinv (W)

1. 緒 論
風力発電は陸上だけでなく洋上にも拡大しており、長距離送電に有利な直流送電（HVDC）を用いたシステムが運用され始めている。本研究室
では、
HVDC を利用した次世代の洋上風力発電シ
ステムとして、電流形サイリスタインバータを用いたループ式直流送電システムを提案している。
同システムの構成を図 1 に示す。同システムは、
電流形サイリスタインバータを用いる信頼性の高いシステムで、交流側回路には、同期機や変圧器などで構成される電力補償装置が接続される。
電力補償装置は、システムの出力変動を抑制するだけでなく負の等価インダクタンスを有する変圧器の働きにより、サイリスタインバータで発生する高調波電流を吸収することができる。そのため本システムには、大規模な電力用フィルタが不要となる[1]。本稿では、システム全体の定常方程式の導出並びに、動作範囲などに関する定常特性の解析を行う。
2. システムの定常方程式
表 1 に導出したシステムの定常方程式を示す。
同方程式は変圧器の励磁回路や鉄損を考慮したものであり、システムの種々な定常特性を解析することができる。
3. システムの定常特性供試装置（2kVA）を対象としたシステムの動作範囲に関する検討を行う。図 2 にインバータの直流側電圧 Ed に対するシステム各部の電力 Pr,
PSM, Pinv 並びにインバータの制御進み角 γ、インバータの電流重なり角 u の定常特性（計算値）を示す。図 2(a)より、Ed の増加（風速の増加に相当する）に対し、電力補償を担う SM の出力 PSM が減少し、有効電力の調整を行うことにより Pr を一定に保つことができる。また、図 2(b)より、Edの増加に対し γ は減少、u は増加し、転流余裕角
γ-u（γ≧u が動作範囲）が減少するため、Ed には上限のあることがわかる。
4. 結 論
直列接続方式ウィンドファームのためのループ式直流送電システムの動作範囲に関する定常
特性解析を行った。その結果、風速の変動に対しシステムの出力を常に一定に保てること、インバータ直流側電圧には、インバータの転流限界に基因する上限のあることがわかった。

Commutation limit
Ed=270(V)（

0）

90

60

u

30

0

0

50

100

150

200

250

300

Inverter dc side voltage Ed (V)vs. Ed(a) Pr, PSM, Pinv vs. Ed(b)System conditions : Id = 1.5(A), Vl-l = 209(V), Pr = 450(W), f = 50(Hz), pfr = 1.0, a=1.153

図2

文

風速変動に対するシステムの定常特性

献[1] K. Yamashita, Y. Kameda, and S. Nishikata, “A harmonics
elimination method using a three-winding transformer for
HVDC transmission systems”, IEEE Trans. Ind. Appl., vol.
54, no. 2, pp. 1645-1651,Mar./Apr. 2018.
2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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残留磁化による落雷の研究－人工試料の改良－
Study of lightning current by remanent magnetization- Improvement of experimental samples 16322 櫻井 大己
指導教員 泉 吉紀
1. はじめに
近年，雷によるインフラ等の被害は多大であり，
現在国内でも年間 1000~2000 億円以上の被害が報告されている[1]．通信網の発達で雷被害は今後，より多くなると考えられる．その被害軽減に様々な対策が行われているが，未だ十分ではない．より有効な対策には雷電流の伝播経路の把握が必要である．本研究では落雷の電流を後から研究できる唯一の物性である残留磁化を用いた，雷電流をより高精度に記録する人工試料を製作する．
2. 人工試料の製作
本研究では焼石膏：水：粉末状のマグネタイト（ Fe3O4 ） を 1000:1000:1 ， 1000:1000:10 ，1000:1000:100 の比で混合させたものと，同様にヘマタイト（Fe2O3）を 1000:1000:1 の比で混合させたものの計 4 種類を，それぞれ 7cc プラスチッ
クキューブケースに充填し固化させたものを，人工試料として製作する．図 1 に製作した人工試料を示す．

図 1 製作した人工試料

なおヘマタイトはマグネタイトに対し同重量における帯磁率が小さいため，同比のマグネタイ
トと比較できるようにヘマタイトの混合量を調整した．
3. 実 験
本研究では，雷電流による磁化獲得実験として
高 電 圧 発 生 装 置 (AC100kV/DC100kV/MP300kV)を用いた．人工試料は高電圧発生装置の雷電流が流れる中心から 4 方向にセットし，反時計回りに
試料番号 1～4 を設定した．
次に雷電流による磁化を獲得した人工試料に対して段階交流消磁を行った．消磁段階は 0～
80[mT]の 14 段階に分け，結果をザイダーベルト
図で検討した．
4. 結 果図 2 に段階交流消磁結果のザイダーベルト図を示す．

(b)Fe2O3 混合比率:1(a)Fe3O4 混合比率:1
図 2 ザイダーベルト図

図 2(a)にマグネタイトを混合した人工試料のザイダーベルト図を示す．雷電流によって獲得した磁化（低保磁力）と試料既存の磁化（高保磁力）の 2 つの成分が確認できた．図 2(b)にヘマタイトを混合した人工試料の結果を示すが，雷電流による残留磁化は確認できなかった．
各人工試料において雷電流により磁化した成分の磁化方向（偏角，伏角）を求めた．マグネタ
イトを混合した人工試料 3 種類の偏角は，右ねじの法則に従った磁化方向を確認できたが，ヘマタ
イトを混合した人工試料は，雷磁化獲得の特徴を確認できなかったため磁化方向の確認も不可能であった．伏角はほとんどの人工試料において下方向であることがわかった．
以上の結果からヘマタイトは外部磁場による影響を受けにくいため残留磁化を利用した研究には不向きであり，マグネタイトを混合させることで雷電流による磁化を獲得できることがわかった．マグネタイトの混合比はどの比率でも同様の結果が得られたことから，周囲の磁場の影響を受けにくい混合比率 1000:1000:1 がより研究に適した人工試料であると考えられる．
5. まとめ雷電流を記録する人工試料は，雷磁化獲得実験
及び段階交流消磁実験よりマグネタイトを焼石
膏，水と混合させた人工試料が雷磁化しやすく，雷の研究により有用であるとわかった．また，マグネタイトの混合比率による精度の違いは出な
かったため，周囲の磁場の影響を受けにくい焼石
膏：水：マグネタイトの混合比率 1000:1000:1 が落雷の研究に適しているとわかった．
文 献[1] 『 日 本 雷 保 護 シ ス テ ム 工 業 JLPA 』 ，
https://www.jlpa.jp/measure/damage.html‐70‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

DSC 用ディップコーターの開発
Development of Dip Coater for DSC
16325 鈴木 裕貴
指導教員 井組 裕貴

全体サイズ
試験片の寸法
動作方法

230[mm]×220[mm]×510[mm]
50[mm]×50[mm]
SP によるボールねじ稼働

35

膜厚t [㎛]

30
25
20
15
10
5
0

0

10000

20000

30000

40000

50000

回転速度N [rps]Fig.3 回転速度と膜厚の関係グラフ特性

Fig.4 低速時、高速時、スキージ法での膜圧 [μm]高速時V-I
高速時V-P

低速時V-I
低速時V-P

0.008

1

0.006

0.8
0.6

0.004

0.4

0.002

0.2

0

Power[mW/cm2]

Table1 DC の諸元

性能は、高速時と低速時を比べて、高速時の方が約 77[%]良いことが分かった。

C urrent densit[mA/cm2]

1.緒 言
現在低炭素社会に向け、身の周りの微小なエネ
ルギーを獲得するエネルギーハーベスティングが注目されている。本研究室では太陽電池、中でも色素増感太陽電池(以下 DSC)について研究を行っている。DSC はシリコン太陽電池と比べ、低コスト・軽量・柔軟性で、設置場所の問題を回避
し発電をすることが可能である。DSC は多様な曲面での設置を目的として研究が行われており、先行研究にて低温焼結の検討を行った[1]。しかし、曲面での DSC を作成する際に焼結後、曲面形状化を行っていたため、素子の剥離や劣化が懸念された。また、試験片に塗布する際にスキージ法と呼ばれる方法で行っており人力で行うため、ムラが確認された。そのため、本研究では曲面形状のまま塗布ができ、膜厚の均一化を行うことのでき
るディップコーター(以下 DC)の製作を行う。その後、実際に DSC を作成する。
2. DC の開発
固定部は、任意曲率での塗布を行うため、試験片がスライド及び回転する。固定部の動作域は24[mm] ～ 83[mm] 、 試 験 片 の 厚 さ は 平 面 で は2[mm]、曲面ではガイドがあるため 6[mm]である。
上下機構はステッピングモーター(以下 SP)を
Arduino UNO で制御する。

0
0

10

20

30

40

V oltage [mV]Fig.5 V-I,V-P 特性

4.結 言
本研究では、DSC を製作するにあたって、薄膜のムラの改善を行うことのできる DC を製作した。ムラの測定を行いスキージ法と比べ、ディッ
プコーティングはムラが少ないことが確認された。また、試験片に TiO2 ペーストの塗布を行う
際に引き上げ速度を変化させることにより、膜厚が変化することが確認された。これにより、膜厚の特性及びムラの測定を行うことができ、DC の妥当性が確認された。
文 献

Fig.2 製作した DC
Fig.1 DC

3.結 果
今回作成した DC にて膜厚の変化が可能であった(Fig.3)。速度を高速にするにつれて膜厚が厚くなることがわかる。膜圧のムラは、低速時は0.3[µm]、高速時は 2.8[µm]、スキージ法は 5.2[µm]の差があることから、改善されたと言える。発電[1] 八木貫太、“真空バギング法における TiO2 の低温焼結の提案”、平成 30 年度サレジオ工業高等専門学校卒業
論文、2019 年 2 月‐71‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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直列接続方式ウインドファームのためのループ式直流送電システムの実験用供試装置の開発
Development of an Experimental Setup for a Loop-Type High-Voltage Direct Current
Transmission System
16327 田中 柊次
指導教員 山下 健一郎
1. まえがき
洋上風力発電の累積設備容量は 2050 年までに1000GW 近くにのぼると予想されている[1]。本研究室では図 1 のようなサイリスタインバータを用いた直列接続方式のループ式洋上風力発電シ
ステムを提案している。同システムは信頼性が高
く、負の等価インダクタンスを持つ変圧器や同期機などで構成される電力補償装置の働きにより、高品質で安定した電力供給が可能になるなどの利点を有している[2]。本研究では同システムの実現可能性研究のひとつとして、実験用供試装置の開発を行い、同装置を用いた実験的検討を行う。
2.供試装置の設計に必要なシステムの等価回路
サイリスタインバータを適切に動作させるには、正確なインバータの出力電圧波形が必要となる。しかしながら、同出力電圧波形はインバータの交流側回路にインダクタンス成分が含まれる
場合、サイリスタの流れる電流の重なりによって大幅にひずむこととなる。従って、インバータの出力電圧をひずみのない正弦波に整形する波形整形回路が必要となるが、それには電力補償装置
各部の電流、電圧の関係を把握しなければならない。これらの関係を明らかにするために電力補償装置を含むインバータの交流回路を図 2 に示す等価回路に変形した。同図より、波形ひずみのな
いインバータの出力電圧vinv ′は次式のように表すことができる。
dir
LT LS diinv
vinv ' = as vr + LS−
dt LT + LS dt

Prime mover#nWind turbines(#1, #2, ..., #n)Powercompensator

...

PM

DC reactor

SM

Three-windingtransformer
AC grid#2#1

SynchronousmachineY

Thyristor
inverterOffshore

Y

SM

PM

Pinv
vinv
iinv

ISM PSMVr Ir P r
Y

Onshore ac circuit IIY

Onshore ac circuit

Onshore...

Diode rectifiers

OnshoreHVdc
transmission line

Notes- Pinv, vinv, iinv: inverter ac side phase output power, voltage
and current, Vr, Ir, Pr: ac grid phase voltage, current and output power,
γ: leading angle of the thyristor inverter, u: overlapping angle of thethyristor inverter, ISM, PSM: synchronous machine (SM) current, andoutput power.

図 1 ループ式直流送電システム

Notes- viΔ: induced electromotive force of SM transformed from Y
to Δ, vμ: imaginary terminal phase voltage, Lα, Lβ, Lγ: equivalent
inductance of the transformer, a: turn ratios of the transformer, aS,
aT: proportional constants of the exciting circuits, LS”: subtransientinductance of the SM.

図 2 電力補償装置の等価回路

vwu
vvu
Differential
Amplifier

ir

vinv’

Differentiating
Circuit… (1)Summing Circuitiinv

3. サイリスタインバータの波形整形回路(1)式を用いて設計した波形整形回路を図 3 に示す。設計した回路は図示のように差動増幅回
路、微分回路、反転増幅回路、加算回路で構成される。(1)式のvr は検出した線間電圧vwu , vvu を
差動増幅回路に入力して演算を行った。微分項
ir , iinvは 2 つの微分回路で演算される。これらの値は加算回路で合成され、図３の出力はひずみのないインバータの出力電圧vinv 'となる。
4. むすび本研究では直列接続方式ウインドファームのためのループ式直流送電システムの実現可能性研究の一つとして実験的検討に必要となる供試装置の開発を行った。正確な転流を行うことがでDifferentiating
CircuitInverting
Amplifier図 3 波形整形回路

きるサイリスタインバータの制御回路を完成させた。今後残された課題として同回路を搭載した
サイリスタインバータを持つシステムを構築し、種々な実験を行うことがあげられる。
文 献[1] FUTURE OF WIND, International Renewable Energy
Agency (IRENA), Oct. 2019, [Online], Available:
https://www.irena.org/.
[2] K. Yamashita, Y. Kameda, and S. Nishikata, “A harmonics elimination method using a three-winding transformer
for HVDC transmission system,” IEEE Trans. Ind. Appl.,
vol. 54, no. 2, pp. 1645-1651, Mar./Apr. 2018‐72‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

マグナス波力発電装置の実験用マグナスタービンの開発
Development of a Tested Magnus Turbine for a Magnus Wave Energy Converter
16329 土川 泰宜
指導教員 山下 健一郎‐73‐

図 1 マグナス波力発電装置
Magnus blade radius[m]1. まえがき
近年、欧州を中心に海洋再生可能エネルギーの導入が始まりつつある。波力発電もその一つであり、比較的安定したエネルギー供給が可能である。
しかしながら、波の運動は不規則であるため、同エネルギーを効率よく回収するために様々な工夫が必要となる。本研究室では一般的な形状のプ
ロペラの代わりに円柱形状のマグナスブレード(以下ブレード)を有するマグナス波力発電装置の研究を行っている[1]。同装置のタービンは、波の上下運動によって一定方向に回転することができ、不規則な波の運動に対し、安定したエネル
ギーを得ることができる。また、形状が簡単なブ
レードはコストを抑制できる可能性がある。同装
置の出力特性の把握には、実験的検討が必要不可欠である。そこで、実験に用いる供試マグナスタ
ービンの開発を本研究の目的とする。
2. マグナス波力発電の構成
図 1 にマグナス波力発電装置を示す。本装置は海上の浮体に発電機が設置されており、同発電機から海中に伸びるメインシャフトの先端に複数のブレードが接続されている。円柱形状のブレードを自転させることにより、マグナス効果による揚力を得ることができる。図 2 にブレードの回転切替機構を示す。同機構は波の上下運動に対して
ブレード自体の回転方向を自動的に切り替えるためのものであり、これによりタービンを常に同一方向に回転させることができる。
3．マグナスブレードの設計指針
供試マグナスタービンの設計においてブレード半径は重要なパラメータとなるため、ここではブレード半径について検討を行う。一般にタービンの出力特性は周速比 λ と出力係数 Cp によって決定づけられるが、マグナスタービンの出力特性は明らかになっていない。そこで、平均的な波の上下運動による流速 0.4[m/s]を基準とし、供試マ
グナスタービンのパラメータとしてブレードシ
ャフト半径 rs、ディスククラッチ半径 rd を用いて任意の周速比 λ に対するブレード半径 rb を計算
し た 。 そ の 結 果 を図 3 に 示 す 。 図 より rb ＝0.0828[m] 、λ＝0.876 の供試マグナスタービンを製作した。
4. 供試マグナスタービンを用いた実験
供試マグナスタービンを図 4 に示す。同装置はrt = 0.272[m]、rs = 0.01[m]、rd = 0.075[m]、rb =図 2 回転切替機構の動作

1.0
0.8

Operating conditions
Vw = 0.4 [m/s]rs = 0.01 [m]rd = 0.75 [m]

0.6
0.4
0.2
0.082800

0.876 1

2

3

Tip speed ratio of turbine λt4

図 3 周速比に対するブレード半径Specification of turbine
rt = 0.272[m]rs = 0.01[m]rd = 0.075[m]rb = 0.0828[m]
図 4 供試マグナスタービン

0.0828[m]である。実験では供試装置を水中で往復させ、タービンや回転切替機構の動作を確認した。その結果、往復運動により、タービンに作用する流体の向きが変化した場合もタービンを一方向に回転できることを確認した。しかしながらタービンが十分な揚力を得るためには、rb を大きくし、rs を小さくする必要のあることがわかった。
これらはブレードで発生する損失の増加や、ブレードの信頼性の低下を引き起こす要因となるため、改善する必要がある。
5. むすび本稿ではマグナス効果を用いて駆動する波力発電装置の出力特性を把握するため、供試マグナ
スタービンの開発を行った。任意の周速比に対し適切なブレード半径のあることを明らかにした。
その結果をもとに供試マグナスタービンを製作し、水中における実験において、往復流に対し、タービンが一定方向に回転することを確認した。
文 献[1]青木裕太,山下健一郎:「マグナス波力発電装置におけるガイドベーン角度に関する検討」,電気学会産業応用部
門大会 Y-32,(2011)2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

自動運転模型に向けた制御システムの検討
Study of Control System for Autonomous Driving Model Car
16330 寺田 瑞樹
指導教員 井組 裕貴
uvc_camera からのカメラ Image を darknet_ros に
入 力 し ,darknet_ros で 物 体 認 識 を す る . そ して,darknet_ros から出力される認識 ID や BB の大きさを yolo_area_sub で購読して閾値以上になった場合,serial_node に配信する.serial_node は
yolo_area_sub からの結果を受け,モータドライ
バでモータを制御する.図 3 は Tiny-YOLOv3 を用いた学習の結果である.横軸がバッチ数,縦軸が平均適合率(図中上),損失関数(図中下)である.
バッチ数が増加すると,平均適合率は急激に増加し,88[%]で飽和した.損失関数は急激に減少
し,0.3885 となった.一般的に平均適合率は 85[%]に抑えることが望ましく,今回は達成している.
図 4～6 に BB を利用したモータ制御の様子を示す.図 4 では閾値を 25000 に設定しており,
閾値以下では車体が前進し(図 5),閾値以上では車体が停止(図 6)の制御が可能となった.

1. 背 景近年,自動運転技術を搭載した自動車が増加している.一方で,自動運転技術に関して勉強する機会が少ないことや就職や進学を機に学習を始める技術者が多いことから,将来自動運転技
術に関わる技術者の高齢化が予測される.
2. 目 的
本研究の目的は若年層向けに自動運転技術に触れられる教材を作り出す前段階として,カメラや超音波センサで得た情報で小型の模型を制御し,本校構内での自動運転化レベル3の自動運転システムの構築を最終目標とする.
3. 方 法
制御方法は 2 種類あり,超音波センサによる制御とカメラを用いた物体認識による制御である.
前者では,超音波センサで計測した距離がArduino UNO で設定した閾値以下では車体を制御する.後者では,Jetson Nano 上で Tiny-YOLOv3
を用いて物体や道路標識を認識する[1].図 1 に今回使用した車体を示す.車体制御には物体の認識範囲である Bounding Box(以下 BB)のサイ
ズ変化および認識 ID を利用する.ROS 環境下でTiny-YOLOv3 を動作させ,認識 ID や BB のサイ
ズ変化のプログラムを作成し,出力させた.物体
認識の区分については,自動車や道路標識など
道路環境における重要な項目を機械学習させた.
学習対象の画像は 7000 枚用意し,認識リストを
表 1 に示す.以下に学習の手順を示す.
①学習対象の画像を撮影.
②集めた画像から学習対象だけにタグ付け.
③②の画像から学習対象の特徴抽出.
④抽出した特徴を学習する.
表 1 認識リスト

図 1 今回使用した車体

ID
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

図 3 バッチ数-平均適合率[%],損失関数

ID nameYasutaka Ikumi
Pederstriancar
Blue_tragic_light
Red_trafic_light
Yellow_trafic_lightstop_sign
Speed_limit_30
Speed_limit_40
Speed_limit_50
crosswalk
No_entry

図 5 車体前進

図 4 BB を利用したモータ制御の様子

図 6 車体停止

5. 結 論本研究では超音波センサによる距離計測を利用した車体制御と USB カメラを使用した物体
認識による車体制御を行った.
その結果,超音波センサと物体認識どちらも車体制御に成功した.
文 献[1]Joseph Redmon, “YOLO:Unified,Real-Time
Object Detection” ,OpenCV People’s Choise Award 2016

4. 結 果図 2 に ROS の各ノードの入出力を示す.

図 2 各ノードの入出力‐74‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

白狐塚遺跡における磁気探査
Magnetic exploration of Byakkozuka
16333 中村 利輝
指導教員 泉 吉紀※都合により原稿はありません。

‐75‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

磁気物性を用いた産地黒曜石の研究
The magnetic property of source obsidian by rock magnetic experiment
16335 花山 優輔
指導教員 泉 吉紀

KTS01
KG10

0.5

YG06
HD10

0.0
0

10 20 30 40 50 60 70 80

消磁磁場[mT]
図 2 各産地の相対磁化強度の変化

10

図 1 各産地の質量帯磁率と磁化強度の比較[1] 菅頭明日香,「磁気物性による遺跡出土の黒曜石・遺物の産地および使用状況の研究」，富山大学大学院，
理工学教育部，博士論文，2015

7(×10-8 [kA/mg])

1.0

KG の結果では，緩やかに磁化強度が減少しており，他の産地に比べて保磁力が高いことがわかる．YG と HD の結果では，10[mT]から急激に磁化強度が落ち込み，保磁力が弱いことが読み取れる．KTS の結果では，磁化強度の変化
が比較的緩やかであり，今回の測定試料の中では中間の保磁力であった．産地毎に保磁力の違いが得られ，産地を判別する指標として利用可
能である．
4. 結 論5 箇所の産地黒曜石を対象に磁化研究を行った．その結果，KTS と KG，AK は帯磁率，磁化強度共に産地の分類が可能な結果が得られた．
YG と HD については，YG のほうがやや帯磁率が高く，HD は帯磁率が低いが磁化強度は同程度であることがわかった．今後，さらに試料数を増やすことで，より正確に産地分析が行えると考えている．
文 献

8

磁化強度

KTS と KG，AK は特徴的な値となり，産地毎に分類が可能であった．YG と HD は比較的数値が似ており，現状では判別が難しい．また，
KTS の測定結果は，ばらつきが大きかった．
次に各産地の交流消磁実験の結果を図 2 に示す．各産地の磁化強度から算出した相対磁化強度で検討を行った．

相対磁化強度

1. 背景
黒曜石遺物の原産地を理化学的な分析で推定することは，黒曜石の流通や先史時代の社会様相を探る上で必要不可欠である．近年では，蛍光Ｘ線分析が主な研究方法となっており，大量の資料を短時間で測定できるため，黒曜石の産
地分析の実施例が増加している．しかし，機械固有の測定値となっているため統一化がされてない問題がある[1]．そこで，蛍光 X 線分析と独立な方法として磁気物性による黒曜石の研究事
例を増やすことを目的に研究を行った．
2. 研究方法
本研究では，磁気物性を用いて産地黒曜石の分析するため，静岡県上多賀(KG)，北海道赤井川(AK)，山形県月山(YG)，長野県星ヶ台(HD) ，
静岡県柏峠下の沢(KTS)の 5 箇所の産地黒曜石を用意し，産地毎に 10 個の試料を作り，帯磁率と残留磁化の測定，交流消磁実験を行った．
帯磁率の測定には，Bartington 社製 MS-2 帯磁率計を使用した．帯磁率は単位体積あたりでは無次元数で表されるため，試料の重量で規格化
し，質量帯磁率で検討を行った．残留磁化の測定には，夏原技研製スピナー磁力計を使用した．
磁化強度も質量で規格化を行った．交流消磁実
験には，夏原技研製タンブリング交流消磁装置を用いて，0-80[mT]の 9 段階で消磁を行い，磁化強度の変化を検討した．
3. 結 果
各産地の磁化強度と質量帯磁率を図 1 に示す．

6
KG

5

AK

4

YG

3

HD

2

KTS

1
0
0

2

4

6

8

質量帯磁率 (×10 [m /kg])
-7

3

‐76‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

電動カート向けステレオカメラによる画像処理及び操舵システム
Study of Image Processing and Steering System using Stereo Camera for the Electric Cart
16336 古田 友木
指導教員 井組 裕貴
1. 緒 言二酸化炭素の排出量が少なく、各世帯における乗車人数が 2 人という面から、近年超小型モビリティが注目されている[1]。また、交通事故
0 化を目指して自動運転技術も注目されている。
持続可能且つ安心安全な車社会の実現を目指し、
本研究室では、超小型モビリティのおける車体の前後左右の制御、および道路環境の認識を行う自動運転レベル 3 のシステム構築に関する研究を行っている。その中で本研究では、既存の電動カートにステレオカメラを搭載し、車線による車両走行時の左右制御プログラムを構築することを目的とする。軽量且つ後付性の観点か
ら、アクチュエータによりステアリング制御を行い、作成した車線のワールド座標を算出するプログラムから閾値によるアクチュエータ制御を行う。
2. 方 法作成したプログラムを用いてターゲットのワールド座標を算出し[2]、誤差率を算出した。ターゲットは Fig.1～2 に示すように置き、それぞれ実験した。この時、ターゲットの X 座標の真値は Fig.1 で-190[mm]、Fig.2 で 100[mm]である。

制御を行うプログラムを作成した。机上にて動作実験をしたところ、アクチュエータの適切な動作が確認できた。また、作成した画像処理プ
ログラムを検証した結果、Fig.4~5 に示すように直線の検出をすることができた。直線の検出範囲の位置によっての誤検出がなく、精度の高い認識結果が得られた。

Fig.3 Fig.1～2 における実験結果

Fig.4 雨天時の検証

Fig.1 実験状況 1

Fig.2 実験状況 2

また、コントラスト値を 60、ガンマ値を 0.5に設定して画像処理するプログラムを作成した。
これに雨天時の道路画像を処理させ、直線検出が通常のプログラムと比べて容易となるか検証した。
3. 結 果Fig.3 に Fig.1 と Fig.2 の結果を示す。
縦軸は誤差率、横軸はカメラとターゲットとの距離[mm]である。Fig.3 から、Fig.2 の場合、測定誤差が大きくなることが分かった。白線は Fig.2 に置ける状況にあるためだと考えられる。そのため、制御量（直線の画像上座標と角度）と閾値を比較し、その結果によってアクチュエータによる‐77‐

Fig.5 濃霧時の検証

4. 結 言アクチュエータによる車体制御を実現するた
め、画像から車線を検出し、そのワールド座標を三角測量にて算出するプログラムを作成した。
その結果、カメラの外側にある物体は算出結果に大きな誤差がみられた。画像上座標及び直線の角度による制御の結果では、机上にてアクチュエータの適切な動作が確認できた。また、雨天時及び濃霧時でも車線が検出できるよう、コントラスト値を 60、ガンマ値を 0.5 に画像処理するプログラムを作成し、検証した結果、直線検出の精度の向上が確認できた。
文 献[1]国土交通省 PDF 「国土交通省における超小型モビリ
ティの取り組みについて」
https://wwwtb.mlit.go.jp/kanto/content/000169011.pdf[2]トランジスタ技術 PDF 「ステレオカメラの測距原理と衝突予測のアルゴリズム」
https://toragi.cqpub.co.jp/Portals/0/backnumber/2019/03/p04
7.pdf

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

GPS 受信機を使用した時刻同期型運動解析システム-観測装置の開発及び解析Time-Synchronized Motion Analysis System Using GPS Receiver-Development and Analysis of Observation Equipment16337 町田 侑作
指導教員 吉田 将司
1. はじめに
近年スポーツ技術の向上を目的とした運動解析が行われている[1]。人の動きを数値化し、分析や解析を行うことで、各々の動作の特徴を読み取ることができる。これらの解析において、陸上競技のハードルを含めた 100m までの直線
競技では、すでに様々な論文にてデータ化がされている。しかし、400m などの周回競技、特にハードルを使用した周回競技に関しては、解析を行っている研究や論文は少ない。先行研究
では GPS 活動量計を用いた解析を実施したが、動作の特徴は検討していなかった[2]。そこで本研究では、小型 GPS 受信機（加速度センサ同期型）を使用して位置と動作を同時に観測できる装置を検討した。次に身体への装着を可能にするための基板化を行った。観測装置を装着し3000ｍ障害におけるハードリング動作の解析を
行った。
2. 概要
本実験は、本校グランド奥にあるタータン走路にて行った。3000m 障害用の障害に見立てたハードルをタータン上に配置し、その正面にiPad を配置した。このとき iPad の前に電波時計を置き、時刻が常に見えるようにした。これにより GPS から得られるデータと実際の動作時
刻比較確認できる。取得するデータは時刻（UTC）、加速度、高度、緯度経度の 4 項目である。装置を装着し準備が完了したら、撮影担
当者に撮影を開始してもらい、Open Log にmicro SD カードを挿してデータ取得を開始する。
障害を跳び終えたらカードを抜きデータ取得を終える。同時に撮影を止めてもらう。また障害を跳ぶパターンは、トラック上にある障害を跳び越える動作を行う。
3. 実験結果
実験結果として、トラックパターン動作のデータを元に作成したグラフを図 1 に示す。
また、
図 2、3、4 に「踏み切り A」「障害に乗った瞬
間 B」「着地 C」をそれぞれ示す。図 1 よりまず加速度 X がスピードの増加に伴い増加しているのがわかる。その後踏み切り A から障害に乗った瞬間 B まで大きく増加し、また減少しているのがわかる。その後着地 C までは加速度に変‐78‐化はなく、その後減少していった。この加速度の変化は、A から B への急激な上昇と障害を越えてからの降下に当てはまっている。対して高度に関しては、40 秒前くらいから大きく増加しその後減少を続け、踏み切り A から着地 C まで減少していた。
4. まとめ本研究で実施した 3000ｍ障害のハードリン
グ動作の解析では、製作した観測装置により時刻に同期したデータを取得することができた。
高度は動作に対応していない結果だったが、加速度は動作に対する結果が出ていた。しかし加速度 XYZ 別々のデータが取得できておらず、同じであった。
今後は本研究よりもより正確なデータを得る
ことができるようにするため、RTK 測位が可能な GPS 受信機と、より感度の高い加速度センサを使用した観測装置の検討をする必要がある。
文 献[1] 小島 匡顕, 三宅 礼華, 香山 瑞恵, 橋本 昌巳, 二上
貴夫 , 慣性計測装置における 3 次元加速度センサを用いた歩容評価指標の妥当性に関する研究, 2018[2] 藤井元暉,サレジオ工業高等専門学校卒業論文（競技者 の 動 作 解 析 シ ス テ ム に お け る GPS 測 位 の 活用）,2019

図 1 トラックパターン

図 2 踏み切り A

加速度 X と高度のグラフ

図 3 障害に乗った瞬間 B

図 4 着地 C

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

電子レンジを用いたコーヒー焙煎における撹拌の効果
Stirring Effect in Roasting Coffee Beans Using Microwave Oven
16340 保田 一城
指導教員 水谷 浩
1. はじめに
近年、コーヒーを店ではなく自宅で飲む人が増えている。しかし、既存の焙煎方法では時間や手間、費用がかかってしまう。
一方、電子レンジはほとんどの家庭に置いてあるため追加で購入する必要がなく、手軽に加熱を行えるという点が優れている。そのため今回の実験では電子レンジに着目して研究を行う。
先行研究では、電子レンジでコーヒー豆を焙煎し、カラーチャートを用いて焙煎度の数値化を行った。焙煎度 0 から焙煎度 8 の 9 段階で豆を判別し、時間によって焙煎度が上昇していく
ことを確認していた。しかし、平均焙煎度は低
く、電子レンジの加熱むらにより焙煎度のバラつきが大きかった[1]。
先行研究の結果から、焙煎度向上とバラつきを軽減するために撹拌の必要性を感じた。そこで本研究では、焙煎時のおける撹拌の効果を検証することを目的とする。
2. 方 法別し集計する。6.集計したデータで焙煎度や平均値、標準偏差を求める。豆の量は先行研究で一番量の多かった 55g とする。
焙煎度の数値化を表 1 に示す。先行研究では8 までだったが、今回の研究では焙煎度 8 より上に“焦げ”を焙煎度 9 として設定した。
3. 結 果
今回の耐熱性陶器を用いて行ったコーヒー焙
煎は 55g を 3 分おきに 18 分まで計 6 回行った。
図 2 は焙煎度の平均値を先行研究と比較したものである。先行研究は、21 分の時平均焙煎度
が 3.492 だったが、本研究は比例のように平均値が増加し、18 分で全ての豆が焦げてしまった。

図 2 焙煎度の平均値、最大値、最小値

この結果より、焙煎するときに撹拌をすることで平均焙煎度を上げることが確認できた。しかし、最小焙煎度と最大焙煎度の範囲は先行研
究とあまり変わらず広く撹拌だけでは難しいことも分かった。
4. まとめ本研究では焙煎時における撹拌の効果を検証することを目的とする。豆の量を 55g とした。
その結果、先行研究では 21 分で焙煎度平均が3.5 で標準偏差が 1.7 だったのに対し本研究では9 分で焙煎度平均が 3.6 で標準偏差が 1.6 と 12分の時短が確認できた。また、変動係数も先行
研究は 6 分で 1.1、
12 分で 0.55 だったのに対し、本研究は 6 分で 0.71、12 分で 0.24 と本研究の方が先行研究より値が小さかったためバラつきが小さいことの証明となった。
以上のように焙煎時に撹拌を行うことで焙煎の時短、バラつきを減らせるという効果を確認することが出来た。
5. 今後の予定狙った焙煎度を出す焙煎方法や、バラつきをさらに減らす方法を探す。
参考文献

図 1 作成した撹拌機

本研究では撹拌を行うために必要な撹拌機を作製した。作製した撹拌機を図 1 に示す。
表 1 焙煎度の数値化

焙煎度
焙煎度合い
焙煎の深さ
0
生豆
浅
ライトロースト1
シナモンロースト
2
ミディアムロースト
3
ハイロースト4
シティロースト5
フルシティロースト
6
フレンチロースト
7
イタリアンロースト
8深焦げ9
次に実験の手順を示す。1.コーヒー豆の量を量る。2.豆を器に入れ、撹拌機と一緒に電子レ
ンジへセットする。3.電子レンジの加熱時間を設定し、加熱する。4.加熱が終わったら器を取り出し、指で触れるぐらいの温度までファンを使い冷やす。5.焙煎の終わった豆の焙煎度を判[1] 鶴野光希,“電子レンジを用いたコーヒー焙煎における焙煎度の評価方法の検討”,サレジオ工業高等専門学校卒業研究,2019‐79‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

ヒラムシロボットの自律的運動制御に関する研究
Experimental studies on the autonomous driving of the flatworm-like robot
16341 山口 達也
指導教員 風間 俊哉
1. 緒 言ヒラムシは海に生息している生物で，水中を泳ぎ回ることもでき，とても平たく岩と岩の間を移動することもできる．ヒラムシを模倣したロボットを作ることができれば，多環境適応能力を持つような水中ロボットを構築できると考えられる[1]．こうした多環境適応性の実現に向けて重要なポイントは，環境の知覚と，それに応じた運動制御をどう行うか，すなわちヒラム
シロボットの身体性に適切なセンサーフィード
バック制御の設計である．
ヒラムシロボットは本体をゴムシート，サー
ボモータを左右 1 対と後方 1 つの合計 3 つで構成されたロボットである（図 1）[1]．先行研究
では後方サーボモータの中心角を制御することで潜水浮上を可能とした [2]．しかしながら環境に応じて自律的な運動を行うことはできていなかった．
本研究では，自律的運動制御に向けた第一歩
として距離センサを用いた障害物回避・検知運動の実現を目的とする．
2. 方法と結果
障害物検知の方法として測距モジュールをヒ
ラムシロボット上部に左右 1 つずつ搭載する（図 1）．そして測距モジュールによって得られた測距情報を入力として，障害物の回避や検知運動を実現する旋回に必要なサーボモータの動作入力を決定するシステムを構築する．
図 2 に障害物回避運動の動作概略図とアルゴ
リズムのフローチャートを示す．左右の測距モジュールで壁との距離を計測する．どちらの測距モジュールも閾値以上である時には，左右の振幅(𝐴1, 𝐴2) = (60°, 60°)とした．左測距モジ
ュールのみが閾値を下回った時には，(𝐴1, 𝐴2) =(60°, 0°)とした．右測距モジュールのみが閾
値を下回った時には，(𝐴1, 𝐴2) = (0°, 60°)とした．左測距モジュールのみが閾値を下回った時には，(𝐴1, 𝐴2) = (60°, 0°)とした．これにより障害物運動を実現できた．
図 3 に動作概略図と障害物検知運動のフローチャートを示す．障害物検知運動として，水上に立てたポールを回るタスクを設定した．例えば左の測距モジュールが閾値を下回った場合には(𝐴1, 𝐴2) = (60°, 0°)として 3 秒間右旋回を行い，それから(𝐴1, 𝐴2) = (0°, 60°) として 11
秒間左旋回を行わせた．後サーボの振幅(𝐴3)は常に 40°であり，𝜃1と𝜃2は同位相(𝜑1=𝜑2＝0)，

𝜃3は位相差𝜑3＝1.57πとした．閾値はすべて 15
cm である．これにより障害物検知運動を実現できた．

𝜃1 = 𝜃𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡1 + 𝐴1sin (𝜔1 𝑡 + 𝜑1 )
𝜃2 = 𝜃𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡2 + 𝐴2 sin(𝜔2 𝑡 + 𝜑2 )
𝜃3 = 𝜃𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡3 + 𝐴3 sin(𝜔3 𝑡 + 𝜑3 )図１ ヒラムシロボットとサーボモータの角度

図2

ヒラムシロボットの障害物回避運動

図3

ヒラムシロボットの障害物検知運動

3. 結 言左右のサーボモータの振幅，旋回時間を変更することでヒラムシロボットの障害物回避運動
及び障害物検知運動を実現できた．
文 献[1] 風間俊哉， “ヒラムシの這行・遊泳に学ぶ柔構造ロコ
モーション制御”， 計測と制御， 第 54 巻，第 4 号(2015)，pp260-264[2] 若林佑哉，“ヒラムシロボットの制御手法に関する実
験 的 研 究 ” ， サレ ジ オ 工業高 等 専 門 学 校卒 業 論 文(2017)‐80‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

FET を用いた 2 周波擬似サーキュレータ回路の提案
Proposal of Quasi-Circulator Circuit for Dual Frequency Using FETs
16343 山本 啓太
指導教員 水谷 浩
1. 背 景近年、更なる高速通信が求められる中で、Beyond 5G では全二重(Full Duplex)通信技術の導入が期待されている。この全二重通信の実現のためサーキュレータを利用する方法がある[1]。しかし、サーキュレータは一般的に高価であり、材料に磁性体を用いていることから ICなどに影響を与える可能性がある[2]。また、先行研究[3]から、擬似サーキュレータの動作周波数が狭いことに着目した。5G では Sub-6 GHzと 28 GHz 帯の利用が決まっている[4]が、20GHz 以上の動作周波数を持つ擬似サーキュレータはこれまで報告されていない。一方、CA(Carrier Aggregation)技術を用いれば、異なる周波数帯で同時に送信(受信)を行うことで通信路容量を大きくとることができる。全二重通信と CA 技術に対応するため、研究の大目標をSub-6 GHz と 28 GHz 帯で動作する 2 周波擬似サーキュレータ回路の開発を行うこととし、本研
究では、3.5 GHz と 5.5 GHz の 2 つの周波数で動作する安価な FET を用いた簡略化した 2 周波
擬似サーキュレータ回路を設計し、原理的動作を確認することを目的とした。
2. 回路設計
2 周波擬似サーキュレータ回路の開発に先駆
けて、原理的な動作の実証を行うため簡略化した 2 周波擬似サーキュレータ回路の設計を行った。
図 1 に回路図を示す。図 1(a)、(b)の回路はそ
れぞれ 3.5 GHz と 5.5 GHz の増幅回路である。
本研究で設計した簡略化した 2 周波擬似サーキ
ュレータ回路では、アイソレーションを確保するためウィルキンソン分配器を用いた[5]。
(a) 3.5 GHz の増幅回路

3. 結 果簡略化した 2 周波擬似サーキュレータ回路のADS でのシミュレーション結果を図 2 に示す。
20
10

S12,S31,S31[dB]

0

S31

-30

S32

-50
-60
500

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

周波数 [GHz]

図 2. 簡略化した 2 周波疑似サーキュレータ回路のシミュレーション結果

S12 が 3.5 GHz において利得 10 dB であり、S31
が 5.5 GHz において利得 10 dB となっており、
アイソレーションが 50 dB となっていることから、簡略化した 2 周波擬似サーキュレータ回路の原理的動作を確認することができた。
4. 結 論
本研究は、2 つの周波数で動作する安価なFET を用いた擬似サーキュレータ回路を提案し、簡略化した回路の設計を目的として行った。3.5
GHz と 5.5 GHz の簡略化した 2 周波擬似サーキ
ュレータ回路の設計を行い、シミュレーション
結果から、2 周波擬似サーキュレータ回路として動作することを確認した。
文 献[1] Aravid Nagulu, Tingjun Chen, G. Zussman, and Harish
Krishnaswamy, “A Single Antenna Full-Duplex Radio
Using a Non-Magnetic, CMOS Circulator with In-built
Isolation Tuning,” 2019 IEEE International Conference
on Communications Workshops, pp.1-6, May 2019[2] Diego Palombini, Mirko Palomba, Walter Ciccognani andErnesto Limiti, “Novel Active Distributed Circulator,”
International Journal of Microwave and Optical
Technology, Vol.9, No.1, pp.44-48, Junuary 2014[3] You Zheng, and Calos E. Saavedra, “Active
Quasi-Circulator MMIC Using OTAs,” IEEE Microwave
and Wireless Cmponets Letters, Vol.19, No.4, pp.218-220,
April 2009[4] 総務省 情報通信審議会 情報通信技術分科会 新世代モバイル通信システム委員会報告, 2018https://www.soumu.go.jp/main_content/000557250.pdf[5] E. Wilkinson, “An N-way hybrid power divider” IEEE
Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.8,
No.1, pp. 116–118, January 1960

ポート 1

λ/4

ポート 2

S12

-20

-40

(b) 5.5 GHz の増幅回路

λ/4

-10

ポート 3
100 Ω

図 1. 簡略化した 2 周波疑似サーキュレータ回路‐81‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

直列接続方式ウィンドファームのための自励式同期発電機を用いた風力発電装置の実験用供試装置の開発
Development of an Experimental Setup for a Wind Turbine Generator Based on Self-Excited
Synchronous Generator
16344 山本 悠月
指導教員 山下 健一郎
1. 緒 論近年、洋上風力発電が欧州を中心に世界中で導入されている。本研究室では、巻線型同期発電機(WRSG)を自励式として風力発電システムに使用する図 1 のシステムについて種々な検討を行っている。本システムは図示のように風車、WRSG、直流系統連系用のダイオード整流器(REC I)、発電機励磁用のサイリスタ励磁器(REC II)などで構成されるシンプルなシステムであるが、先行研究
において、REC Ⅱが REC Ⅰのひずみの影響を受けるため十分な動作範囲を得られないことが判明している[1]。そこで本研究では、同装置の動作範
囲を拡大できるサイリスタ励磁方式を提案し、実験的検討によりその有用性を検証する。
2. 提案するサイリスタ励磁方式
図 2 に提案するサイリスタ励磁方式を有するシステムの構成を示す。本装置は、同期発電機の出力端子に相互誘導を有するリアクトル(DR)を接続した構成となっている。図のように、DR の等価インダクタンス Lγ は負の値となるため、同期機の初期過渡インダクタンス Ls”を相殺することができる。その結果、仮想接続点の電圧𝑣𝜇 は発電機の内部誘導起電力𝑣𝑖 と等しくなり、REC II は
REC I で生ずるひずみの影響を受けない。
3. 実験用供試装置を用いた実験的検討
実験用供試装置として、2kVA の同期発電機を用いたシステムを構築した(図 3)。同装置を用いて提案システムの有用性を検証する。その一例として、サイリスタ励磁器交流側の線間電圧波形
𝑣𝑒𝑥 (実験値)を図 4 に示す。図示のように REC I の転流による高調波ひずみは、基本方式(図 4(a))には表れるが、提案方式(図 4(b))には表れていない
ことが確認できる。
4. 実験用供試装置の拡張
供試装置(図 3)は出力が大きい場合、誤動作することがわかった。これは REC II が入力電流及び電圧を検出しゲート信号を生成する仕様となっており、出力が大きい場合、ゲート信号の基準となる正確なサイリスタ励磁器入力電圧を生成できないことに基因する。これを改善するためには、システム各部の電流、電圧の関係を明らかにし、それを考慮したゲート信号生成回路が必要となる。現在、同回路の製作を行っている。

‐82‐

Notes – Vwind: wind speed of wind turbine, ωt: mechanical angular speed,
αex: firing angle of REC II, vsg: SG armature voltage, vout: SG output
terminal voltage, vex: exciter input terminal voltage, Id: DC link current,
Vf, If: field voltage and current.

図 1 自励式同期発電機を用いた風力発電機の構成図

Notes – L1, L2: self-inductances, M: mutual inductance, vi: armatureinduced emf of the SG, Ls”: subtransient inductance of the SG.

図 2 提案するサイリスタ励磁システム

図 3 実験用供試装置
System conditions:
Vd = 95.0(V),
Id = 2.55(A)Output:Pout = 242(W)

図 4 サイリスタ励磁器の交流側の線間電圧波形

5. 結 論本研究では自励式同期発電機を用いた風力発
電装置において、相互誘導を有するリアクトルを採用したサイリスタ励磁方式を提案した。また、
実験的検討に必要な供試装置を開発した。その結果、提案したサイリスタ励磁器により、十分な動作範囲が得られることが明らかとなった。
文 献[1] K. Yamashita, Y. Yamamoto and S. Kobayashi,“Performance Improvement of a Wind Turbine Generator
Based on Self-excited Synchronous Generator for Seriesconnected Wind Power Plants,” Proc. of 2020 23th
International Conference on Electrical Machines andSystems, Hamamatsu, Tokyo, Japan, Nov. 2020.
2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

電動カートにおける操舵・制動システムの電動化
Development of Motorization about Steering and Breaking System for the Electric Cart
16345 吉田 隆ノ介
指導教員 井組 裕貴
1. 背景
18 世紀より「自動車」が誕生し人々の移動手
段が飛躍する画期的な発明である一方で環境負
荷物質の排出や交通事故などによる負の影響が生じている[1]。そのため、CO2 の排出量が少なく、各世帯における乗車人数が 2 人という面から、近年超小型モビリティが注目されている。
また、交通事故 0 化を目指して自動運転技術について注目が大きい。持続可能且つ安心安全な車社会の実現を目指し、本研究室では、超小型モビリティのおける車体の前後左右の制御、および道路環境の認識を行う自動運転レベル 3 のシステム構築に関する研究を行っている。その中で本研究では、既存の電動カートの自動運転化するため、操舵・制動システムの電動化システムの構築を目的とする。

表 1 アクチュエータスペック

[mm]

動作速度

50

[mm/s]

力

75

[lb]

2.3 自動ブレーキシステムの開発
自動ブレーキのシステムには LiDAR と超音波センサを用い、車両の前方に障害物を検知した際、リニアアクチュエータによって機械式ブ
レーキのブレーキワイヤを引き、制動を行うシ
ステムである。安全面の観点からフットブレー
キとは別系統で自動ブレーキ用のシステムを構築した。アクチュエータは、ストローク量のみ
操舵用アクチュエータと異なっている。車両前方につけたステーにブレーキを固定することでスペースを確保することができ、超音波センサとの接続も容易にした。

図 3 搭載したブレーキシステム

3. 結果
ジョイスティックによる操舵は運転手が乗車した状態でも停車中、走行中どちらでも正常な動作が確認できた。白線認識による操舵は机上での動作が確認できた。ブレーキにおいては、
片輪での作動が確認できたが、もう片輪では正常な作動が見られなかった。

LiDAR：前方の物体検知・マッピング
ステレオカメラ：白線認識,
単眼カメラ：物体認識
超音波センサ：低位置の物体検知
図1100

図 2 アクチュエータ

2. 方法
2.1 電動カート
本研究で使用する電動カートは 2013 年に製作されたものである。この電動カートに自動運転のためのセンサやシステムを搭載するために、車両の採寸を行い、3DCAD ソフトの Inventor によって、車両を 3D データ化し、加工行った。これらの改良により実際に車両に電動化のシステムを搭載可能になった。

①②③④

ストローク量

4. 結論
操舵・制動システムを電動化するためシステムの構築を行い、Joystick による電動操舵シス
テムは開発できたが自動ブレーキシステムは安定した動作が確認できなかった。今後、原因特定を検証するが、現段階ではアクチュエータやコントローラの個体差やノイズによる影響が原因と考えられる。

設計を施した 3D データと実車

2.2 電動操舵システムの開発
制御はジョイスティックによって行う。自動車と違い、電動カートは車体が小柄なため搭載するスペースに限りがある。よって搭載するシ
ステムは軽量・小型でなければならない。
また、車両の操舵システムにより速い動作速度や強い力も必要となる。そのため今回選定した操舵用のアクチュエータは以下のものとした。

参考文献[1] 警視庁, “統計表”(2020)

https://www.e-stat.go.jp/stat-search/files?page=1&layout=datalist&lid=000001244013‐83‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

振動水柱型マグナス波力発電装置の開発
Development of an Oscillating-Water-Column Wave Energy Converter with Magnus Turbine
16346 米長 亮一
指導教員 山下 健一郎‐84‐

Magnus Turbine
Air current

Lift

Generator

force
Air Chamber

Magnus Blade
Buoyancy Chamber

Directionofrotation

Water surface

Water Level

Disc clutch

force

図1

Air
current

Movable rail

Lift

振動水柱型波力発電装置 図 2

回転切替機構

35

Turbine output Pt [W]

1. まえがき
近年、海洋再生可能エネルギーの積極的な利用が欧州を中心に進められている。中でも波浪エネ
ルギーは、凪の状態を除いて発電できるため、比較的安定した運用が可能となる。振動水柱型の波力発電装置は堅牢で、タービン等が海上に設置されるため、メンテナンスが容易となる利点を有する[1]。一般に同発電装置のタービンには、往復流から一方向の回転力を得られるウェルズタービ
ンや衝動タービンが採用されるが、高効率で構成が簡単なタービンとして、マグナスタービンもその候補に挙げられる。本研究ではマグナスタービ
ンを用いた振動水柱型波力発電システムを提案
し、供試マグナスタービンを用いた実験的検討を行う。
2. 振動水柱型マグナス波力発電装置
図 1 に提案する振動水柱型マグナス波力発電装置を示す。図より同発電装置は内部に空気室が設けられており、同空気室の気圧は波の上下運動によって変化する。この圧力の変化は空気室内に設置されたマグナスタービンに往復気流をもたらす。自転するマグナスブレードがこの往復気流を受けることによりマグナス効果[2]による揚力を発生する。この揚力の向きは、ブレードの自転方向により決まるため、これを切り替えることができれば、ウェルズタービン等と同様に往復気流
に対し、タービンを一方向に回転させることが出来る。図 2 にブレード回転切替機構を示す。図示のようにブレードの回転運動は 2 枚あるディス
ククラッチの片方とブレードシャフトが接触することにより生ずる。ブレードは可動レールを介してメインシャフトに接続されており、ディスク
クラッチ間を左右に移動することが出来る。そのため、接触するディスククラッチは往復気流の向きによって切り替わるため、ブレードの自転方向を自動的に切り替えることが出来る。
3. 供試マグナスタービンを用いた実験的検討
提案システムの開発には、実験的検討が必要不可欠である。そこで、システムの主要構成要素となる供試マグナスタービンを用いた実験的検討を行う。供試装置はタービン半径 rt = 0.272[m]、ディスククラッチ半径 rd = 0.075[m]、ブレードシ
ャフト半径 rs =0.01[m]であり、水中用のものとして開発されている。同システムのブレード半径rb は、クッタ・ジューコフスキーの定理より、適
切なよどみ点が得られる流速Vw と、ブレード角
速度ωb から、次式で与えられる。

30
25

供試装置による実験

rb = 2Vw / ωbωb = ωt rd / rs

air

15

ρw =1000[kg/m3 ]ρA =1.204[kg/m3 ]Cp =0.4

10
5
0

図3

water

20

0

2

4

6

8

Flow velocity Vw [m/s]

図4

10

出力特性

・・・(1)
・・・(2)

供試装置は水中用のため周速比 λ = 0.876 とし(1)式よりrb = 0.0828[m]に設計されている。
図 3 に供試装置を用いた実験の様子を示す。同実験では、水中にあるマグナスタービンを移動させマグナスタービンや回転切替機構の動作を確認した。その結果流速Vw =0.86[m/s]程度で正常に動作する事が確認できた。
4. 実験結果の提案システムへの応用
提案システムは、空気中で運用する事を考慮し、周速比 λ を 0.876 から 4 に変更した。システムの定格出力Pt を 30[W]とした時の流速に対する出力特性を図 4 に示す。図より、周速比を 4 とした場
合、流速の定格流速は 0.86[m/s]から 8.08[m/s]となることが明らかとなった。
5. むすび本研究では、振動水柱型マグナス波力発電装置を提案し、供試マグナスタービンの製作及び実験的検討を行った。適切なよどみ点が得られるブレード角速度を明らかにした。水中で行った実験結果を提案システムへ応用し、供試マグナスタービ
ンの仕様を明らかにした。
文 献[1] 井上俊司、石田茂資、梅田隼、他,“海洋開発工学概論
海洋再生可能エネルギー開発編改訂第 1版”,(2017),162[2] 青木裕太,山下健一郎“マグナス効果を用いた浮体式
波力発電装置の研究”, 電気学会産業応用部門大会，
Y-32,(2011)[3] 中山司,“流体力学非圧縮性流体の流れ学”,(2013),119
2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

衛星放送電波による局所的降水観測システムの改良
Improvement of local precipitation measurement by using satellite broadcasting signals
15325 沢田 翔吾
指導教員 泉 吉紀

200

190

180

170

160

150

140

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

3. 結 果図 2 は晴天時(2020/10/12)と雨天時(2020/10/9)に新観測システムで測定した電圧値データを比較したグラフである．図 3 は A/D コンバータを用いて高分解能化を図った改造観測システムで観測した約 120 時間の電圧値データをまとめたグラフである．
図 3 より，晴天時と雨天時の電圧値に差がある
ことが確認できる．従って本システムでの降雨観測が可能であると言える．また，図 3 は図 2 と比30

図 1 新旧観測システム概観の比較

2020/10/12(晴天時)
2020/10/9(雨天時)20(b) 新観測システム

電圧値[V]

1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
10

(a) 旧観測システム

べて細かい値の変化を記録できていることがわ
かる．

0

測定時間[分]図 2 晴天時と雨天時の電圧値の関係

電圧値[V]

1. 背 景衛星放送は赤道上約 36,000km にある静止衛星を用いて電波を受信するため，伝搬経路は不変であり，アンテナを設置するだけ放送を視聴することができる．しかし，その伝搬路上で降水現象が発生していた場合，雨滴による電波減衰(以後“降雨減衰”)が生じる．また，近年局所的な集中豪雨の発生回数が多く，それによる甚大な被害も多い．
このような豪雨は性質上，リアルタイム観測は通常の降雨よりも難しく，気象レーダ等の観測手段は絶対的に見て費用が高いといった問題がある．
本研究では小嵐(2009)の先行研究[1]で製作された降水観測システムを，2020 年現在一般的に普及している機器・部材を用いて再構築することを目的とした．観測システムを再構築することで小型化・簡略化・コストダウンを図った．その後，システムの有用性を確認するべく性能試験を行った．
2. 研究のアプローチ
本研究では，はじめに旧観測システムの構成(図 1(a))を基に新観測システム及び改造観測シス
テム(図 1(b))を構築した．これらの観測システムを用いて晴天時や雨天時などの様々な状況下において観測試験を行った．

1.5
1.45
1.4
1.35
1.3
1.25
1.2
1.15
1.1
1.05
1

測定日時[年/月/日 時:分]

図 3 改造観測システムで得た電圧値データ

4. 結 論晴天時と雨天時の電圧値の差を観測することができていることから，新観測システムでの降雨観測は可能であるといえる．
A/D コンバータを組み込むことで高分解能化することができたといえる．しかし，本研究で行った改造観測システムでの測定は晴天時でしか行っておらず，改造観測システムの有用性を確認するためにはデータ不足なため，確認することができなかった．
5. 今後の展望
本研究で用いたパワーディテクターは，低価格でシステムを構築することを考慮したため精度に欠ける点がみられた．また，改造観測システム
で雨天時の観測データを取ることができなかった．
以上 2 点から，今後は改造観測システムによる
雨天時の電圧値データの取得を行うことと，本システムに組み込むことを前提とした検波回路の製作が必要であると考える．
文 献[1] 小嵐元気,「衛星電波を利用するリアルタイム降雨予測と局所的降雨の研究-電磁波によるマイクロ気象に新たな観測方法の確立」，富山大学卒業研究，2009‐85‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

低次高調波除去単相インバータ回路の検討
Study on Low-order Harmonic Elimination Type Single-phase Inverter Circuit
15319 久保薗 颯馬
指導教員 渡邉 聡
1．緒 言
現在、直交変換を行うインバータは鉄道車両
や自動車、家庭用電気器など生活に欠かせない
様々な機器に幅広く用いられている。インバー
タを用いることで交流の電圧・周波数の可変や蓄電池などの直流を電源として家庭の機器を使用することができる。しかしインバータは直流から交流を生成する際、その出力には高調波成分を含んでおり、負荷が誘導電動機の場合にはトルクの脈動や損失の増加、騒音などにつながってしまうという問題がある[1][2]。そこでパルス
モードを変更し、1 パルスモードに刻み(転流)を入れる選択高調波消去方式[3][4]に注目し、本研究では転流角度及び刻み数とインバータの出力波
形の高調波含有率の関係を考察するため単相パルス幅変調(PWM)インバータの試作を行う。
2．インバータ回路
インバータのメイン回路素子の IGBT と制御回
路間を電気的に絶縁された、ゲートドライブ回路の設計を行う。ゲートドライブ回路はあらかじめ計算されたパルスの転流角度に応じた角度をROM に書き込み、DATA 通りのタイミングでIGBT をスイッチングさせる。出力波形を図 1 に示す。

入力される。今回使用した P-ROM はアドレスが15 本であり、215＝32768 個で一周期の波形（パルス）が出力される。
4．結 果
設計したデータを元に Autodesk EAGLE を使用
してパターンを作成し、そのパターンを基板に転写して部品を実装し基板を完成させた。本研究では PWM 波形に刻みを入れて低次の高調波を除去しているため、P-ROM に予めスイッチングのパターンをバイナリエディタで作成した。今回計算された刻みの数は 2 から 30 までの 15 種類でありそれらを ROM に書き込む DATA を導き、16 進に置きかえゲート回路に必要なパターンを作成することができた。

図 3 製作した基板

5．結 言
低次高調波を除去する単相インバータの転流
角度を P-ROM に書き込むパターンのデータを作成しインバータ回路を試作した。本方式を用いることで刻みの数が増した場合においても P-RPMの DATA を導き書き込むことができる。
今回製作した基板を使用し、実測を行い高調波含有率を調べることで、転流角度及び刻み数とインバータの出力波形の高調波含有率の関係を考察することが可能である。
文 献

図 1 パルスに刻みを入れた出力波形

3．回路構成電圧-周波数
V.C.O

カウンター
TTLIC

絶縁回路
フォト IC

メイン回路
IGBT

パルス波
P-ROM

[1]宮部実・近藤稔，“低次高調波消去インバータ波形による電車用誘導電動機の損失低減”，鉄道総研，(May 2010)[2]山口優貴，“PWM インバータの低次高調波低減効果の検証”，日本工業大学，平成 28 年度卒業論文[3]高橋勲，“パワーエレクトロニクス”，パワーエレク
トロニクスセミナー,吉原印刷，(1996)[4]Hasmukh S. Patel ・ Richard G.Hoft ， “ Generalized
Techniques of Harmonic Elimination and Voltage Control in
Thyristor Inverters : Part I-Harmonic Elimination”，(May/June
1973)[5]川崎元椰，“低次高調波除去型同期式 PWM インバー
タの刻み数と高調波含有率に関する検討”，サレジオ工業高等専門学校，平成 27 年度卒業論文

図 2 インバータの回路構成図

図 2 にインバータの回路構成図[5]を示す。電圧－周波数変換器（V.C.O）の入力電圧に比例した
クロックパルスがカウンター回路を通り P-ROMのアドレスに入力される。あらかじめ書き込まれた ROM のデータが次々と一周期出力されフォト
IC で絶縁されてメイン回路の IGBT のゲートに‐86‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

低次高調波除去単相インバータの転流角度の検討
Study on Commutation Angle of Low-order Harmonic Elimination Type Single-phase Inverter
18901 榎戸 悠真
指導教員 渡邉 聡

高調波次数

図 1 高調波含有率の理論値 (刻み数 30)

本研究では単相交流の誘導性負荷を対象としているため残留高調波の次数を高くすることでインピーダンスの増加により、残留高調波の除去・軽減ができ、残留高調波による影響を少なくできると考えられる。
4. 結 言同期式 PWM インバータの転流角度の算出及
び高調波含有率の理論値算出を行った。結果として、パルス波に刻みを入れることで刻みを入れた個数分の高調波次数が除去されることが確認できた。また、除去した高調波次数付近とその整数倍に残留高調波が現れ、その部分に高調波成分が大きくなる次数があると確認できた。
5. 今後の予定
今後の予定として、実際の回路についての高調波含有率の測定を行い理論値との比較、検討を行う。また、実際使用される負荷を想定しそれらの条件下における理論値算出及び実測を行いたい。
文 献[1] 高橋勲,“パワーエレクトロニクス”,パワーエレクトロニクスセミナー,吉原印刷株式会社,(1996)[2] 田中謙一郎・村田愛佑,“初めて学ぶ人のための電気理論(1)(新版)”株式会社オーム社,1966)[3] Hasmukh S. Patel・Richard G.Hoft,“Generalized
Techniques of Harmonic Elimination and Voltage Control
in Thyristor Inverters : Part I-Harmonic
Elimination”,(May/June 1973)[4] 宮部実・近藤稔,“低次高調波消去インバータ波形による電車用誘導電動機の損失低減”,鉄道総合技術研究所,(May 2010)[5] 山口優貴,“PWM インバータの低次高調波低減効果の検証”,日本工業大学,平成 28 年度卒業論文[6] 川崎元椰,“低次高調波除去型同期式 PWM インバー
タの刻み数と高調波含有率に関する検討”,サレジオ
工業高等専門学校,平成 27 年度卒業論文[7] 勝田鷹志・関田大樹,“選択高調波除去方式 PWM イン
バータに関する検討”,サレジオ工業高等専門学校,平成 28 年度卒業論文

𝑘

4𝐸𝑑
𝑏𝑛 =
{1 + ∑(−1)𝑘 cos 𝑛𝛼𝑘 } ⋯ (1)
𝑛𝜋
𝑘=1

k:刻み数

1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
1
7
13
19
25
31
37
43
49
55
61
67
73
79
85
91
97
103
109
115
121

含有率

1. 緒 言現在、直流を交流に変換するインバータは、普段の生活に身近な鉄道車両やエアコン・冷蔵庫などの家電製品、また近年注目が高まっている電気自動車や太陽光発電など様々な機器に用いられている[1]。インバータは直交変換をする際、出力する交流の周波数に応じたパルス波をスイッチ
ングにより生成する [2]。しかしその出力(パルス波)には基本波の他に高調波成分が含まれる [3]。
この高調波成分は負荷が電動機の場合、振動・騒音などの悪影響を及ぼす[4]。そこで、高調波除去型 PWM インバータの改良を目的とし、影響の大
きい低次高調波を除去するインバータについての検討を行う。高調波はスイッチングによりパルス波に特定の角度に刻みを入れて変調すること
で、刻みに応じた高調波を除去することができる[5]。
2. 方 法
同期式 PWM インバータによる高調波除去の方法として高調波を除去するための PWM パターン(転流角度)をあらかじめ ROM に書き込みカ
ウンタで呼び出す[6][7]。本研究では転流角度の理論値算出について行う。転流角度の算出は以下の手順で求めることができる。まず初めに、1 パル
スモード矩形波をフーリエ級数展開し、三角関数の和で表現を行う。次に、刻みを入れた出力波形にパルス毎に番号を振り積分を行いすべての和を求める。最後に、基本波以外の分子が 0 となる
ように連立方程式を作り、ニュートンラプソン法に解を求める。
3. 結 果求めた解を(1)式に代入し高調波含有率の理論
値算出を行った結果、パルス波に刻みを入れることで刻みを入れた個数分の高調波次数が除去されることが確認できた。しかし、除去した高調波
次数付近とその整数倍に残留高調波が現れ、高次の高調波成分が大きくなってしまうことが図 1より確認できる。

n:高調波次数 𝛼:転流角度‐87‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

健康吹矢における視覚障害者向けの的の製作
Development of the target designed for the visually impaired in Wellness Fukiya
15307 岩堀 峻也
指導教員 風間 俊哉
1. 緒 言近年,人間拡張工学の進歩により身体に障害を持つ方も様々なスポーツを楽しめるようになってきた．吹き矢もその 1 つで,中でも健康吹き
矢は,健康法の 1 つである気功と吹き矢を組み合わせたものである．高齢者のレクリエーション
として楽しまれるだけでなく,最近は弱視や全盲の方も参加するイベントが行われている．しかしながら弱視や全盲の方にとっては,吹き矢の的が見えない/見え辛い,的に矢が当たったかどうかが分からないという本質的な問題がある．
昨年度の研究では,吹き矢の的が見えない/見え辛い,という問題を解決するために,健康吹き矢用の照準補助機を開発した[1]．これは,吹き矢の筒の先端にレーザーモジュールを搭載し,これを的に向けて照射する．PC に接続されたカメラ
で的を撮影し,画像を PC で解析することでレーザーが当たった位置を特定し,的のどの位置に筒が向いているか,競技者に音もしくは音声で伝えるものである（図 1）．弱視,全盲の方々に実際に体験していただいた結果,これまでよりも吹き矢が楽しめたという前向きな意見がある
一方で,的の位置が知りたいという要望や,矢が的に当たったことを知りたいという要望が出た．
そこで本研究ではこれらの要望に応えるために,吹き矢の“的”にこうした要望に応える機能を追加することを目的とする．
2. 提案システム
競技者に的の位置を知らせる方法（的位置確認方法）として,的に LED を取り付けて光で伝える方法が考えた．マイコン（Arduino Uno）にLED を接続し（図 2）,マイコンからのデジタル
出力で LED を任意のパターンで点滅させる．的に LED を固定する専用の固定具を 3D プリンタで作出した（図 3）．弱視にも症状にレベルがあるため LED の照度を 2 種類用意した（図 4）．
矢があたったことを競技者に伝える方法（的中確認方法）として,画像処理による方法を検討した．これは上述の照準補助器とほぼ同じ方法
で,矢が的に当たった時の画像を解析し,競技者に当たったかどうか音声や取り付けた LED の光で伝えるものである．吹き矢の先端に蛍光テープを貼り（図 6）画像処理のためのマーカーとした（図 7）．指定した色のみを抽出し,その位置情報を得る画像処理プログラムを
Processing [2] で作成した（図 5）．

‐88‐

3. 結 言本研究では建康吹き矢において,視覚に障害を持つ競技者のために,的位置確認と的中確認が行えるシステムを構築した．

図 1 昨年度に開発された照準補助機の実行画面

図 2 Arduino Uno を用いた LED 点滅回路

図 3 作出した LED 設置用
アタッチメント

図 4 2 種類の LED を用いた点滅回路

図 6 抽出前の画像

図 5 色を抽出した
プログラム

文

図 7 抽出後の画像

献[1] 笹本喜助, “健康吹き矢における視覚障害者向け照準補助機の開発”,サレジオ工業高等専門学校卒業論文（2020）[2] 谷尻かおり、谷尻豊寿, “Processing3 による画像処理とグラフィックス”, 株式会社カットシステム（2017）2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

誘導型磁気浮上推進装置の回転機構の構築
Construction of Rotation Mechanism of Induction-type Magnetic Levitation Propulsion Device
15311 大圖 知聖
指導教員 渡邉 聡
1. 背 景ベルトコンベア等運搬装置は摩擦の影響で，粉塵が生じてしまうなどの衛星環境面で課題がある．そのため，クリーンルームなどの特殊環境下
では，一般の運搬装置を使用することができない．
先行研究では，特殊環境下での運搬装置として磁気浮上推進装置を試作した．そこで，本研究では，実用に向けて新たに回転動作を加える．ここでは，回転動作を実現するための相配置の提案をし，実験的に検討を行う．
2. 原 理本装置の特徴は単一の電源で浮上させて推進する装置である．浮上原理は，固定部にコイルを敷き詰め駆動部には，アルミ円盤を用いている．
固定部のコイルに電源から交流電流を流すこと
でコイルに磁束が生じる．コイルに発生した磁束がアルミ円盤を通過した際，電磁誘導作用によってアルミ円盤に渦電流が発生する．発生した渦電流が右ねじの法則にしたがった方向に磁束を発生させ，コイルに発生した磁束とアルミ円盤に発生した磁束とが反発してアルミ円盤が浮上する．
推進原理は，固定部に配置したコイルに三相交流を印加し，u 相コイル，v 相コイル，w 相コイル
を順番に並べることで，移動磁界を発生させる．
円盤は， u 相，v 相，w 相の移動磁界の順番に従って移動する．図 1 のようにコイルをくの字型に置くことで，円盤の脱線を防ぐための外側から内側に向かう移動磁界を発生させている[1]．

(a) 直進相配置(b) 停止相配置(c) 右折相配置(d) 左折相配置
図 2 各動作の相配置

4. 回転動作
今回構築した回転動作の相配置図を図 3 に示す．この回転動作は，停止動作にバランスを崩すような円を描いた移動磁界を加えることで回転動作を実現させている．動作を安定させるために，逆位相を用いることで中心に向かう力と回転させるための移動磁界の速度を早くしている．

図 3 回転動作の相配置

5. 結 論本研究では，回転動作を実現するための相配置の提案を目的とした．その結果，新たに回転動作の相配置を実現させることができた．また，装置全体での他の動作を加えた総合的な連続動作実験に対しても動作することが確認できた．
6. 今後の予定
今後の課題として，実用に向けた回転動作の相配置の回路基板の作成が必要と思われる．また，装置の足組強化のための，従来の回路基板の改良も必要と思われる．
文 献

図 1 推進原理

3. 相配置
本装置では，一つのパネルに 54 個のコイルが配置されている．この 54 個のコイルの電気的相配置を変更することで，直進動作，右折動作，左折動作，停止動作を実現させている．直進と逆の動作の後進は，u 相，v 相，w 相のうち 2 相を入れ替えることで後進の動作を可能にしている．装置の相配置を図 2 に示す[2]．

[1]坂野佑多，相馬基生，原屋敷佑大，本多亘希“誘導型磁気浮上推進装置の運用システムの構築”，令和元年
度サレジオ工業高等専門学校卒業論文，pp.3-8[2]坂野佑多，相馬基生，原屋敷佑大，本多亘希“誘導型磁気浮上推進装置の運用システムの構築”，令和元年
度サレジオ工業高等専門学校卒業論文，pp.26-29‐89‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

LiDAR を用いた車両の自動ブレーキシステムの構築
Study of Braking System using LiDAR
15316 小野寺 瞭
指導教員 井組 裕貴
1. はじめに
近年、自動車をコンピューター制御で運転する自動制御の分野に関心が集まっている。様々な状況を想定した自動車の制御が行われるが、その中で自動ブレーキは前方または後方の状況や障害物をカメラやセンサーで認識し、車を制御する必要がある。自動運転車両に搭載されるセンサーの一種である LiDAR は周囲にレーザー光を何本も照射し、その反射から周囲の物体の形状を示す点群を得るものである。今回の目
的は既存の電動カートに LiDAR を取り付け、得られた点群データを用いて軽量な車体への後付
け可能な中距離における自動ブレーキシステムを構築することである。

LiDAR の搭載位置は、車両の前方、後方、左右を監視する必要があり、レーザーの妨げがな
い位置に取り付ける必要がある。図 2 に示すよ
うに車体の最高点に取り付けた。
3. 結 果図 3 は Rviz にて可視化した LiDAR から得られた点群データである。今回、構築したシステ
ムの動作試験を行った結果、前方の障害物の位置を検出し、制動することに成功した。また、車両のすぐ横を壁や障害物などがあった場合でも誤作動することなく、制動することができた。
しかしながら、今回使用したアクチュエータの伸縮速度が遅く、車両の速度が時速 3 ㎞以下にも関わらず制動距離が 3m 近く、時速に対して制動距離が長くなってしまった。

2. 方 法本研究で構築するブレーキシステムでは、軽量且つ後付け性の観点からアクチュエータにより機械式ブレーキを作動させる。制御については ROS （ Robot Operating System ） を 用 い て
LiDAR から得られたデータをシリアル通信にて Arduino に送信し、接続されたアクチュエー
タの制御を行う。表 1 にブレーキシステムの構
成要素を記す。

（丸枠で囲んだ点群は障害物を示している）
図 3 Rviz にて可視化した点群データ

表 1 ブレーキシステム構成要素一覧
名称

メーカー

バージョン

開発プラットフォーム

NVIDIA

Jetson TX2OSCanonical UK Ltd.

Ubuntu 16.04

ROS

Open Robtics

kinetic kame

LiDAR

SLAMTEC

Rplidar_s1

開発ボード

ArduinoArduino UNO

アクチュエーター

Actuonix Motion Devices inc.

L16-R

図 4 ブレーキシステム本体

また、
Arduino を ROS のノードとして動かし、
メッセージ通信によって ROS 上でデータのやり取りを行う。図 1 にメッセージ通信の構成図を記す。

4. まとめ本研究では LiDAR を用いて電動カートの自動ブレ―キシステムの構築を行った。ROS を用いたシステム構築により、点群データによる周辺環境の可視化が確認できた。また、前方の障害物を検知して、アクチュエータによる機械式ブレーキの制動に成功した。しかしながら、時速に対して制動距離が長くなりすぎてしまうという結果になり、伸縮速度の見直しが必要である。

図 1 メッセージ通信構成図
LiDAR

文（丸枠で囲んだ物が LiDAR 本体）
図2

献[1] 表允晳、倉爪亮、鄭黎縕 共著,“ROS ロボットプログ
ラミングバイブル”,オーム社（2018）[2] 高橋麻奈,“やさしい C 第 4 版”,SB クリエイティブ
株式会社（2001）

LiDAR の搭載位置‐90‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

誘導型磁気浮上推進装置の動作制御の構築
Construction of Operation Control of Induction-type Magnetic Levitation Propulsion Device
15343 藤岡 大輝
指導教員 渡邉 聡
1．緒 言
ベルトコンベア等運搬装置には摩擦の影響で、粉塵が生じてしまうなどの衛生環境面に問題がある。そのため、クリーンルームなどの特殊環境
下では、一般の運搬装置を使用することができな
い[1]。そこで本研究では、特殊環境下での運搬装置として磁気浮上推進装置を試作する。ここでは実用化に向けて、パネルごとの動作の切替や通電パネルの選択及び装置全体の運用に必要な制御方法の構築を目指し、動作の変更と制御を PC 上
で統一的に行うための制御方法を提案し、実験的に検討を行う。

できる他、それぞれのユニットがどのような動作になっているかがわかるようになっている。
3. 配線の簡素化のための論理回路
制御動作の種類が 5 種類あるため、1 つのユニ
ットに 5 本の制御信号が必要である。しかし今後実用化するにあたり制御するユニットが増える
ことにより、制御信号の必要数も倍増していくと予想される。
そこで論理回路を作成し組み合わせることにより、PC から出力する制御信号の数を減らし、簡素化することができる。

2．LabVIEW を用いた動作切り替えの構成

図 1 現在のユニット構成

図 3 作成した論理回路図

図 1 に示すように多様なつなぎ方ができるた
め、装置の構成の自由度が高い。これらの装置全
体の動作切り替えをするにあたり、LabVIEW を使用した。
制御動作の種類は「直進、右折、左折、回転、停止」の 5 種類である。また、制御するユニットが増えることを見越し、段階的に増やせるようにユニットを配置した。図 2 に実際に試作したプロ
グラムを示す。

図 3 の論理回路を使用することにより、制御に必要な出力を 5 本から 3 本に減らすことができる。これにより制御するユニットが増えた際の制
御信号の増加を抑え、配線を減らすことができ、プログラムの出力信号にも余裕ができる。

図 2 LabVIEW の試作プログラム[1] 豊島正隆，桐山大輝，“誘導型ベアリングレスリニア
モータの試作”，平成 30 年度サレジオ工業高等専門学校卒業論文，pp.1-8

4．結 言
各ユニットへの通電の切り替えのシステムをユニットごとに LabVIEW を用いて集中的に制御するための装置を設置する方法を提案した。これにより、今後の実用化に当たりユニットの数が多くなった時にも、制御系の配線の簡略化ができ、構成がしやすくなる。
また、センサーや通電切り替えの信号を個別に行うことにより、PC 上で処理する信号を減らすことができ、動作の軽量化を図ることができると考えている。
文

これにより PC 上で動作の一括管理することが‐91‐

献2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

機械電子工学科

2020年度

卒業研究

テーマ一覧

学籍番号

学生氏名

テーマ（和文）

16401

青木 悠記

パルスジェットエンジンの内部燃焼シミュレーション

16403

稲垣 樹

押出延伸成形により成形したポリ乳酸製骨固定スクリューの力学的特性に及ぼす延伸比の
影響

16404

岩佐 駿

IH調理器使用時における不快感と生体信号の関係

16405

江里口 俊亮サレジオ高専における学校案内システム向け音声認識システムの研究

16406

大村 樹

分子・結晶構造のモデリングアプリケーションに関する調査研究

16407

澤潟 隼

沿岸センサネットワーク用塩濃度観測ノードの改良

16408

笠原 優太

押出混練機を用いたポリ乳酸フィラメントの成形性に及ぼす温度条件の影響

16409

風間 暉久

集合住宅を想定した仮想同期発電機に関する研究

16410

加藤 峻

小型簡易分光反射率測定器の改良

16411

川口 哲宗

廃炉創造ロボコンのロボット開発（機械開発）

16412

川村 公音

IH調理器使用中におけるコンタクト電流と誘導電圧に関する研究

16413

桐生 響

農業支援ロボットアームにおけるホール効果を利用した圧力センサーの開発

16414

久保田 未来Cu₂Oの分子動力学シミュレーション

16415

倉田 亮佑

空き瓶パルスジェットエンジンの燃焼時間向上を狙った実験

16416

小嶋 碧斗

太陽光発電を用いた沿岸センサネットワークへの電力供給の検討

16417

児玉 速汰

小水力発電を組み合わせたハイブリッドPVモジュールの提案

16419

小林 祐

廃炉創造ロボコンのロボット開発（回路開発）

16420

小林 優斗

ヒドロニウムアルナイトの分子動力学シミュレーション

16421

才木 一眞

β型リン酸三カルシウム/ポリ乳酸複合材料の力学的特性に及ぼす界面処理の影響

16422

佐藤 大輔

クロムを添加した酸化チタンにおける分子動力学シミュレーション

機械電子工学科

2020年度

卒業研究

テーマ一覧

学籍番号

学生氏名

テーマ（和文）

16423

佐藤 優斗

幼稚園向け熱中症対策ツールの開発

16424

澤田 陸志

遠隔地での運用を想定した土壌水分浸透センサシステムの検討

16425

柴内 真生

移動体を対象とした中継コイル方式非接触給電における模擬装置の提案

16427

鈴木 翔太

熱溶解積層法により造形されたポリ乳酸の機械的特性に及ぼす造形速度と積層方向の影響

16428

諏訪原 怜斗加熱したポリ乳酸の力学的特性に及ぼす引張速度の影響

16429

大黒 元暉

炭素繊維強化ポリプロピレンにおける熱処理方法の検討および力学的特性に及ぼす母材結晶化度の影響

16430

田中 謙策

フルカラーLED調光器における電流条件とスペクトルの関係

16431

田中 紫苑

流水を用いて冷却するハイブリッドPVモジュールに関する研究

16432

田中 来希

GPS受信機を使用した時刻同期型運動解析システム-遠隔制御型システムの構築-

16433

塚本 悟朗

本校を中心とした微気象観測システムの構築

16434

津田 浩平

独立型交流電池の充放電特性

16435

鶴迫 悠太

セルロースナノファイバー/ポリ乳酸複合材料の成形性と力学的特性に及ぼすセルロースナ
ノファイバー含有率の影響

16436

安藤 貴之

熱電変換素子を組み合わせたハイブリッドPVモジュールの特性改善

16437

内藤 州

デプスカメラを用いたハードル走の簡易動作解析

16439

中野 裕紀

拡張された減衰調和振動子の正準理論

16440

中村 翔

分子・結晶構造立体視システムにおける要素技術の検討

16441

畑 恒輝

小・中規模分子動力学シミュレーションにおける並列化計算効率の検討

16443

樋口 元輝

廃炉創造ロボコンのロボット開発（システム）

16444

福地 遼太郎平織炭素繊維強化ポリプロピレン (CF/PP)の曲げ特性に及ぼす大気圧プラズマ処理時間の
影響

16447

古澤 太清

Raspberry Piを活用した遠隔授業の音声認識システムの研究機械電子工学科

2020年度

卒業研究

学籍番号

学生氏名

テーマ（和文）

16449

皆川 海斗

重心移動が剛体倒立振子の減衰に与える影響

16450

向谷 美優

解析的シミュレーションにおける模型周りの流れの可視化

16451

森田 迅亮

電磁加速を用いたバリスティックレンジの開発

16452

山川 和輝

気温や体調変化によるバイタルサインの変化の研究

16454

横川 颯汰

自営LPWA通信の小山ヶ丘地区周辺におけるカバレージに関する研究
築、運用～

16455

吉田 海里

小型自律走行車用制御基板のキット化に関する検討

16456

吉田 龍紀

自営LPWA無線の小山ヶ丘地区周辺におけるカバレージに関する研究
運用～

16457

吉野 伶弥

自律走行車の高精度誘導に関する検討

16458

綿貫 歩

IH調理器用AC-AC直接変換回路の変換効率改善に関する研究

15452

吉岡 和輝

VLF-MT法による小山内裏公園での地下構造探査

15439

中村 潤菜

プログラミング学習のための教材の開発

15443

堀内 柾希

新規プログラミング教育の再構築に向けた教材の実装

テーマ一覧～移動端末の構～基地局の構築、サレジオ工業高等専門学校

パルスジェットエンジンの内部燃焼シミュレーション
Internal combustion simulation of pulse jet engine
16401 青木 悠記
指導教員 廣瀬 裕介
1. 諸言
ーは XiFoam を用いる．
パルスジェットエンジンは第二次世界大4. シミュレーション結果
戦時にドイツが開発し，同国が初めて実用化
シミュレーション用のオブジェクトはパルスジェットエンジンの燃焼室を模した形した経緯がある[1]．現在ではパルスジェッ
状にしており，縦 165.2[mm]，横 390[mm]とトエンジン推進装置として航空機に搭載すした．点火位置は，縦 82.5[mm]，横 45[mm]ることを計画している企業[2]や，熱源とし
図 1，図 2 に圧力の計算結果を示す．圧力はて応用しようとする研究もある[3]．このエ
点火点から長手方向に一様に伸びている結ンジンは間欠燃焼型であり，タービンは不要，
果が得られた．
かつ，パイプのみで作成することが可能であることから，個人単位で制作された例も多々ある．燃焼ガス逆流防止用のバルブの有無によりエンジンの形状が異なる特徴があり，外気は燃焼室で供給された可燃ガスと混合され燃焼する．その下流側には燃焼室より狭く，長い排気ノズルを備えている．しかし，詳細な原理が調査されているとは言えないエン
図 1 4[ms]での圧力ジンであることから，本研究ではオープンソースの数値解析ソフトウェアである
OpenFOAM でシミュレーション環境の構築を構築し，シミュレーションにより燃焼や内部流れの詳細な原理を解明することを目的としている．
2. 理論
予混合燃焼では，燃料と酸化剤が点火前に
図 2 圧力と位置の関係
分子レベルで混合されている[4]．火炎面の5.
結言
伝播は下式でモデル化されている．
OpenFOAM によるシミュレーション環境
OpenFOAM ではこの式を有限体積法で解く．
を構築し，計算を行うことができた．また，圧力のシミュレーション結果より，圧力は点∂µt(ρb) + ∇ ∙ (ρu⃗ b) − ∇ ∙ (∇b) = −ρu Su Ξ|∇b| 火点から長手方向に一様に伸びている様子∂tSctが確認できた．
参考文献となる．

[1] 桜井毅司，古橋照夫，小原哲郎，”埼玉大学におけるパルスデトネーションエンジンの研究”，日本燃焼学会誌第 47 巻 140 号 (2005)[2] 緒川修治，“有翼型完全再使用サブオービタル
機の開発状況と将来構想”，宇宙太陽発電学会，
Vol.5 (2020), p.93
[3] 森 勇，パルスジェット式汚泥瞬間乾燥システ
ム，環境技術 15 巻 3 号(1986) pp.221-225[4] "Tutorial XiFoam - Version: OpenFOAM-1.7.x",
2010/11/4, Ehsan Yasarib : 平均反応回帰変数[−]Su : 層状火炎速度 [m/s]
D : 拡散係数 [m2 / s]
Ξ : 乱流火炎速度と層流火炎速度の比[−]ρu : 未燃焼混合気の密度 [kg / 𝑚3]
ρ : 密度 [kg / 𝑚3 ]3. シミュレーションの手段
解析にはオープンソースの数値解析ソフ
トウェアである OpenFOAM を用い，ソルバ‐92‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

押出延伸成形により成形したポリ乳酸製骨固定スクリューの力学的特性に及ぼす延伸比の影響
Effect of Extrusion Ratio on Mechanical Properties of Poly (lactic acid) Bone Fixation Screws
Formed by Extrusion Drawing and Molding
16403 稲垣 樹
指導教員 坂口 雅人
せん断強度 Ss を算出した．
𝐹
𝑆𝑆
・・・・(1)2𝐴𝑆
3. 結 果 及 び 考 察
図 1 はせん断試験から得られたせん断強度である.図 1(a)は PLA1 を図 1(b)PLA2 を用いて成型した試験片である。それぞれの図を見ると
PLA1 は延伸比が大きくなるに連れて,右肩上がりのグラフになったが,PLA2 のせん断強度は山なりのグラフになっていたことから PLA1 とPLA2 ではせん断強度に違いが出ていることがわかる.これは分子量の違いによって分子鎖の長さなどが変化したことによりせん断強度に差が出た.このことから.骨固定スクリューの力学的特性を向上させるためには PLA1 を用いて大きい延伸比で成形する事が必要だと考えられる.
Shear strength [MPa]1. 緒 言骨折した際の治療で骨を固定するために用いる物の多くはチタン合金やステンレスなどの金属材料を使用している.現在は.人体に影響が少なくかつ除去の必要がない代替材料として生体吸収性プラスチックの一つであるポリ乳酸(PLA)が注目されている.しかし,PLA を骨固定材として使用するには力学的特性が低いことが分かっている.[1]そこで PLA を延伸し強度を向上させることが検討されている.[2] 先行研究において,押出延伸を用いることによって PLA の力学的特性が向上することが分かっている.PLA の分子量を変えることで力学的特性が変化することが報告されている.[3][4]本研究では,成形方法を押出成形及び押出延伸に絞り,分子量を変えた 2 種類の PLA ペレットを用いて延伸比(ER)を変えて試験片の成形.そして,延伸比及び分子量を変えて力学的特性の調査を行った.
2. 方 法
材料は前述した通りに二種類の PLA ペレットを使用する.使用する PLA は PLA1 を INGIO(数平 均 分 子 量 :87000, 融 点 :170 ℃, ガ ラ ス 転 移
点:57 ℃)の物と PLA2 を REVODE(数平均分子量:55000,融点:150 ℃,ガラス転移点:60 ℃)とした.
2.1 成 形 方 法
一軸混練機に PLA ビレットを投入し,それぞれの延伸比にあった金型(鋼製)を取り付けビレッ
トを直径 6 mm のスクリュー及びそれぞれの延伸比のビレットを成形する.ホットプレスを用いて,押出延伸を行った,その際,金型の中心部温度が 130 ℃まで加熱したことを温調で確認する,
金 型 内 に 潤 滑 剤 と し て PEG (Polyethylene
Glycol)を用いて加熱及び延伸を行った.ビレッ
トの延伸後に金型の温度が 70 ℃以下まで空冷を行い取り出した.
2.2 試 験 方 法
ラジアル方向に力がかかる場合を想定し，せん断試験を行った．
万能試験機（島津製作所製，
AGS-X:10kN）にスクリューを挿入したせん断試験用の治具を設置し,クロスヘッド速度 0.5
mm/min の圧縮荷重をかけて試験を行った．せん断試験から得られた最大荷重 F と M6 のねじの有効断面積 A 約 20.1 mm2 を用いて式（1）で

150
100
50
0

INGIO
REVODE

M6

ER1

ER1.3

ER2

ER4

Extrusion Ratio
図１各延伸比のせん断強度

4. 結 言
力学的特性に及ぼす延伸比の影響に関しては
PLA1 に顕著に表れ,延伸比が大きくなるにつれてせん断強度が上がっていった.力学的特性に及ぼす分子量に関しては PLA1 と PLA2 のせん
断強度を比較した際に M6 スクリューと ER4 に関して PLA1 が PLA2 よりせん断強度が高かった.この二つの結果から分子量の多い PLA1 を用いて.大きい延伸比で押出延伸成形を行うこと
で力学的特性の向上が得られる.
文 献[1]

杉山芳樹,“顎骨用吸収性接合材料について-高強度 PLLA 材料を中心として-”
岩手医科大学歯学雑誌 2005 年 30 巻２号 pp121-131[2] 北原愛子,“延伸加工を施したポリ乳酸の強度向上”
日本機械学会講演論文集 No075-1(2007)Pp,31-32[3] B.Eling,G.Gogolewski,A.J.Pennings,Polymer,23,1587(1982)[4] S.Gogolewski,A.J.Pennings,J.Appl.Polym.Sci.
,28,1045(1983)‐93‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

IH 調理器使用時における不快感と生体信号の関係
Relationship between Discomfort and Biological Signals when Using an IH Cooker
16404 岩佐 駿
指導教員 米盛 弘信
1. 緒言
現在使用されている IH 調理器は，使用時に発生する超音波が人体に不快感を与える報告がある[1]。不快感の例として，吐き気や頭痛，めまいなどの症状が挙がっており，少なからず人体に何らかの影響を与えている。人間の自律神経には，交感神経と副交感神経の 2 種類が存在しており，
常にどちらか一方が優位な状態を保っている。人が不快感を覚えるタイミングは，交感神経と副交感神経が逆転したときである。副交感神経が優位にあり，リラックスしている状態であっても何らかのストレッサーを外部から加えることによって，交感神経が優位に立ち，活発なストレス状態になってしまう。
本研究では，IH 調理器におけるストレッサー
は，超音波と仮定している。そこで，交感神経，
副交感神経の推移を観察して統計をとり，IH 調
理器から発する超音波によって不快感を抱いているのか明らかにする。
2. 実験方法
図 1 は無響音室で行った検証実験の測定条件である。本実験では My Beat という測定器具を用いた。My Beat は心拍を計測することができる。
心拍から副交感神経と交感神経の推移を計測し，LF/HF を算出できる器具である。本実験の測定条
件は，スピーカと被験者との距離は 30cm，周波数を 23kHz とし，アンプを用いて 100dB を出力する。
その時の不快感と LF/HF の値を測定する。
図 2 は検証実験のシーケンスを示したものである。アンプの電源スイッチを入れる前に，無響音室の環境に慣れさせるため，5 分間の安静時間を設けた。その後，スピーカから 100dB の超音波を出力し 10 分間心拍を計測する。超音波暴露期間と比較するため，アンプのスイッチを切って 10分間安静期間を再度設けた。本実験では，10 代後半の男女(男子 10 人，女子 10 人)計 20 人の計測を行った。また，実験はセクションごとに区切り，
１セクション 5 分とする。
3. 実験結果
図 3 は LF/HF の推移のグラフを示す。グラフ
はセクションごとに区切っている。図 3 よりアンプのスイッチを入れ，超音波を暴露しているセク
ション 3 と 4 の期間は，LF/HF の値が基準値の 4を超えており，交感神経が優位になっていることがわかる。また，電源を切った後 LF/HF の値が減少し始めていることがわかる。このことから超音波を暴露された人間が不快感を抱いていることがわかる。
4. 結言
本研究では，LF/HF の推移を観察し，超音波暴露によって不快感の有無が生じるか検証した。その結果，超音波暴露期間における LF/HF は中央値をとっても基準値の 4 を超えており，交感神経が優位になっていることがわかった。よって，超音波暴露によって，被験者は不快感を抱くことが
わかった。
参考文献
[1]

葛西裕生，米盛弘信:“IH クッキングヒータから放出される高周波騒音と不快感の関係”日本 AEM 学会誌

pp.207-212 (2012)

図 1 実験の構成

図 2 検証実験のシーケンス

図3

‐94‐

LF/HF の推移

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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サレジオ高専における学校案内システム向け
音声認識システムの研究
Research on Speech Recognition System for the Campus Information System at Salesian Polytechnic
16405 江里口 俊亮
指導教員 三輪 賢一郎
1. 背 景近年，音声アシスタントシステムや検索エン
ジンでの音声検索など，音声認識システムを活用した様々な機器やシステムが広く普及してきている．また，昨今の新型コロナウィルス流行により，直接的な接触を最低限に保ちつつ様々な用途に利用できる音声認識システムの需要は，今後さらに高まると考えられる．
音声認識システムの応用例の一つに，大学のキャンパス案内システムがある[1]．例えば，奈良先端科学技術大学院大学の音声対話ロボット
は，音声による対話及び頭部や腕などのジェス
チャによるインタフェースを用いて受付案内が行え，また眼球部分のカメラによる画像処理が可能なシステムである[2]．しかし，これらの機能を最大限に発揮するためには，かなり高性能なハードウェアに加え，ネットワークへの常時接続環境が必要となる．
本研究では，低価格かつ低消費電力，必要最低限の性能で十分に動作する，新入生や外部からの訪問者に有用な，学校案内システム向けの音声認識システムを検討する．
2．システム概要
2.1 Raspberry Pi
図 1 は本研究でハードウェアとして用いる
Raspberry Pi 4 Model B の本体画像である．
Raspberry Pi は，小型で安価かつ低消費電力で，拡張性にも優れていることから，本研究で想定するシステムの要求条件を満たすものである．

図 1 Raspberry Pi 4 model B

れている辞書ファイルである．発音辞書を含む
ディクテーションキットのバージョンは 4.4*で，辞書には約 60,000 語の登録データが存在する．
（*『現代日本語書き言葉均衡コーパス』で構築）
3．実験方法はじめに，既存の辞書（基本辞書）に追加登録する 70 単語を選定して追加辞書を構築した．
次に，選定した 70 単語を，自分自身を含めた計5 人でそれぞれ発声し，サンプリング周波数を16kHz，量子化ビット数を 16 ビット，出力方法
をモノラル，ファイル形式を WAV ファイルとして録音を実施した．
続いて認識実験を行った．認識実験は，2 種類の音響モデルと追加辞書を含む 2 種類の発音
辞書の組み合わせにより 4 通り実施した．結果
からそれぞれの単語認識率を算出して比較した．
4．実験結果
実験結果を表 1 に示す．
表1
音響モデル

認識率
GMM

DNN

基本辞書

37.4%

58.9%

追加辞書

98.6%

98.0%

発音辞書

上記の通り，いずれの音響モデルにおいても追加辞書を用いることで 98％以上の単語認識率を達成できた．
5．結 論
本研究では，低価格かつ低消費電力で，必要最低限の性能で十分に動作する，学校案内シス
テム向け音声認識システムを検討した．
結果より，辞書登録を実施することで，高い認識精度を備えた学校案内システム用の音声認識システムを実現できることが明らかとなった．
今後，学校案内システムとして構築するにあたっては，認識速度の点からも GMM 音響モデ
ルが適していると考えられる．
文 献[1]

大浦圭一郎,山本大介,内匠逸,他,“キャンパスの公
共空間におけるユーザ参加型双方向音声案内デジ
タルサイネージシステム”,人工知能学会誌,pp.61—-62,2013 年 1 月[2] 西村竜一,内田賢志,李晃伸,他,“Julius を用いた学校
案内ロボット用音声対話システムの作成”, 電子情報通信学会技術研究報告, 言語理解とコミュニケーション 101(520), pp. 93--98, 2001 年 12 月
[3] 汎用大語彙連続音声認識エンジン Julius プロジェ
クト Web サイト（https://julius.osdn.jp/）

2.2 汎用大語彙連続音声認識エンジン Julius
音声認識エンジンの Julius は大語彙連続音声認識を目的として開発されたフリーソフトウェ
アである[3]．本システムにインストールしたソ
ースコードのバージョンは 4.4.2.1 である．
2.3 発音辞書
発音辞書は，音声を認識して文字出力するために必要な日本語の単語などのデータが収めら‐95‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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分子・結晶構造のモデリングアプリケーションに関する調査研究
Research on Molecular/Crystal Modeling Applications
16406 大村 樹
指導教員 黒木 雄一郎⑶⑵⑹
WebMo の操作手順

3. 結 果メタノール、エタノール、２‐プロパノールについて、①3D 分子モデルの表示、②エネルギー最小化計算、③分子軌道、④IR スペクトルの計算を実施することに成功した。一例として、メタノールの IR スペクトルにおける Webmo での計算結果と FT-IR での測定結果の比較を図１に示す。
0

Intensity

50
100
150
200
250
300
350

Transmittance

100
80

FT-IR

(1)

⑸
図１

WebMo

1. 緒 言材料や物性を専門とする研究室において、分子や結晶の構造を理解することは研究の基礎である。しかし、研究を始めたばかりの学生にとって分子や結晶の構造を手軽に観察しようとしたとき、VESTA[1]などの既存のアプリケーションで３D モデルを作成することは難易度が高い。そこ
で、web 上で簡単に分子や結晶構造の３D モデルを作成（あるいは引用して表示）できるアプリケーションを使用することができれば、学習のハードルを下げられるはずである。そこで、本研究では、web 上で３D モデルを作成できるアプリケー
ションの使用方法を調査することを目的とした。
当初調査していた Molview[2]は、使用者が提供するデータをインポートすることができなかった。
このことをきっかけに、WebMo[3]の調査に移行
し、使用方法をまとめ、さらに WebMo での計算
値と装置を用いた測定値を比較した。
2. 方 法(1)WebMo のゲストアカウントにログインする。
(2)WebMo Job Manager の左上にある New Job から Create New Job を押し、Build Molecule を開く。
(3)今回はエタノールの分子構造の可視化に加え、その分子軌道と IR(赤外)スペクトルを計算する
ため、まず lookup→Import by→Name から「ethanol」と入力し、OK を押す。(4)エタノールの分子が表示された後、右下のくさびマークを押してChoose Computational Engine に進み、(5)Gaussianにチェックを入れて Configure Gaussian Job Optionに進む。(6)Theory を PM3 に変更する。分子軌道を計算する場合は Calculation を Molecular Orbitalsに、IR スペクトルの場合は Vibrational Frequenciesに変更し、次に進む。WebMo Job Manager の一覧
から、計算結果を確認できる。

60
40
20
0

4000

図２

3000

2000
Energy(cm-1)

1000

メタノールの IR スペクトルの比較

FT-IR での計測においてアルコールは水蒸気の影響を大きく受けたため、3400cm-1 に現れる水分子のスペクトルは WebMo で算出したスペクトルよりもブロードであった。1000cm-1 付近に現れる特徴的なピークとその周囲の小さなピークの位置関係がおおよそ一致していることが確認できた。
4. 結 言分子構造の可視化及び各種物性の評価が可能
な WebMo について使用方法を調査した。一例として、エタノールに関する分子軌道や IR スペク
トルが計算可能であることを示すことができた。
文 献[1] K.Momma and F.Izumi,”VESTA3 for three-dimentional
visualization of crystal,volumetric and morphology
data,”J.Appl.Crystallogr.,44,1272-1276(2011).
[2] Molview, https://molview.org/[3]WebMo,https://www.webmo.net/demoserver/cgibin/webmo/login.cgi

⑷

‐96‐

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沿岸センサネットワーク用塩濃度観測ノードの改良
Upgrade of the Salt Cardinality Observation Node for Coast Sensor Networks
16407 澤潟 隼
指導教員 吉田 将司
1. 緒 言本研究室では 2009 年より無線センサネット
ワークを利用し、沿岸部の水温を実時間的かつ平面と深さから 3 次元的に観測するシステムを開発・運用してきた[1]。先行研究では塩濃度計
からのデータは SD カードに保存されており、複数の塩濃度計からの出力データを処理することに時間がかかっていた[2]。そこで本研究では、複数の塩濃度計でのロギングを自動化し、デー
タを基地局に送信することを目的としたノードを製作した。
2. 方 法
図１はノードのブロック図を示す。本研究では小型化と実装のしやすさという観点からマイコンには Arduino nano を選定した。nano にはシリアル通信用のピンが 1 組しかないが、SoftwareSerial というライブラリを使うことで解決した。また、基地局と電源は共同研究として開発しているものを用いた。電源は太陽光パネルを用いたもので長時間の連続使用が期待できる。基地局は raspberry pi を用いたもので受信したデータを処理し、サーバにアップロードする機能がある。

確認された。
5. 今後の展望
現段階ではデータ欠落の原因が明らかになっていないためその調査をする。本実験では佐藤商事の塩濃度計を使用しているが、更なる小型化と利便性向上のために基板に実装できるサイ
ズの塩濃度計等に変更することが課題となる。
文

献[1] 吉田将司,千葉元,“沿岸センサネットワークを利用した水温観測システム”,サレジオ工業高等専門学校研究紀要 41,31-35,(2013)[2] 菊地将矢,“沿岸センサネットワークによる周防大島の観測”,サレジオ工業高等専門学校,卒業論文(2019)

図１ ブロック図3. 製作結果と動作試験
図 2 は製作したノードである。制御基板は自作し、塩濃度計には佐藤商事製の WA-2017SDJを使用した。塩濃度計とは RS232 方式で通信す
るが、これには塩濃度計の規格に合わせて3.5mm ステレオミニジャックを用いた。図３はこのノードから送信されたデータを示す。本プ
ログラムでは 30 分ごとに時刻データ、
座標デー
タ、観測データを順に送信するようになっている。座標データは緯度経度を小数点以下 5 桁まで取得するようにしている。また、通信モジュールの LoRa は通信時以外ではスリープ状態にすることで消費電力を抑えている。長時間の観測では 3 種類の深度のデータのうち 1 つのデー
タが欠落するという現象が確認された。

図２ ノード基板

4. 結 言塩濃度計での自動ロギングと基地局への送信は成功した。だが、長時間使用した際にデータの欠落、送信の失敗などが確認された。また塩濃度計は起動した直後の動作ではバックライトが点灯しているため、消費電力が上がることが

図３ 受信データ‐97‐

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押出混練機を用いたポリ乳酸フィラメントの成形性に及ぼす温度条件の影響
Effect of Temperature Conditions on Moldability of Poly(lactic acid) Filaments
using Extrusion Kneaders
16408 笠原優太
指導教員 坂口雅人
1.緒言
近年では,世界中で 3D プリンターが普及されている.そして今回は,数あるプラスチックの中でも,3D プリンターで多く使用されているポリ乳酸（PLA）を使用した.トウモロコシやジャガイ
モなどに含まれるデンプンなどで作られる PLA
は,3D プリンターで使用されるフィラメント
の,ABS 樹脂の代わりとなる素材として注目を集めている.3D プリンター用フィラメントの規格
は,直径 1.75 mm,2.85 mm,があるが,実際に成形する際の,温度条件は明らかになっていない.そこで,本研究では押出混練機を用いた PLA フィラメン
トの成形性に及ぼす温度条件の影響について検
討する.
2.方法
材料はパージ材(MISUMI 製 PURGE), レヴォ
ダ (HISUN 製 REVOD),PLA フ ィ ラ メ ン ト（Value3D 製 MAGIX PLA）,を粉砕機（大阪ケミ
カル社,ワンダークラッシャーWC-3）を使用し粉砕をした物を使用した.融点をもとに,各素材の条件を決定した.パージ材では, 混練機の設定を先端部温度 200 °C, 中央部温度 200 °C, ホッパー部
温度 140 °C に固定した.レヴォダでは, 混練機の設定を先端部温度 200 °C, 中央部温度 200 °C, ホ
ッパー部温度 140 °C に固定した.PLA フィラメン
トでは, 混練機の設定を先端部温度 160 °C, 中央
部温度 160 °C, ホッパー部温度 140 °C に固定した.約 1 g の材料を混練機に 15 秒に 1 回の時間で入れる.融解して出てきた材料を,30 秒間測りはさみで切り落とす.これを 5 回行った.

でうまく作製ができるのではないかと考え, 混練機の設定を先端部温度 170 °C, 中央部温度
170 °C, ホッパー部温度 140 °C に固定した.その場合, 図 3 のように作製できた. レヴォダでは,混練機の設定を先端部温度 200 °C,中央部温度
200 °C,ホッパー部温度 140 °C に固定した場合,溶けて出てきたレヴォダが図 4 のようにほぼ液体の状態で出てきたため作製することができなかった.そのため,先端部温度と中央部温度を下げる
ことでうまく作製ができるのではないかと考え,混練機の設定を先端部温度 145 °C,中央部温度
145 °C,ホッパー部温度 130 °C に固定した.その場合,図 5 のように作製ができた.
10 mm

10 mm

図 2 パージ材(失敗)

図 1 PLA フィラメント

10 mm

図 3 パージ材(成功)10 mm

図 4 レヴォダ(失敗)

10 mm

図 5 レヴォダ(成功)3.結果
図 1,図 2,図 3,図 4,図 5 は,それぞれ,PLA,パージ
材,レヴォダを使用して成形したフィラメントである. PLA では混練機の設定を先端部温度 160 °C,
中央部温度 160 °C, ホッパー部温度 140 °C に固定した場合, 図 1 のように作製できた.パージ材
では混練機の設定を先端部温度 200 °C, 中央部
温度 200 °C,ホッパー部温度 140 °C に固定した場
合, 図 2 のように,パージ材の中に気泡が入ってしまった.先端部温度と中央部温度を下げること
‐98‐

4.結言
混練機の温度が高すぎると上手く成形できないことが分かった.混練機の温度の条件を検討することができた.
文献⑴佐野 義幸, 柳生 浄勲, 結石 友宏, 河島 巌,” トコトンやさしい 3D プリンタの本” 日刊工業新聞社 5(2014)⑵横田 明,” 200 の図とイラストで学ぶ 現場で解決! 射
出成形の不良対策” 日刊工業新聞社 10(2019)⑶水野 操,“わかる! 使える! 3D プリンター入門〈基礎知識〉〈段取り〉〈業務活用〉”日刊工業新聞社 12(2018)⑷横田明,” トコトンやさしいプラスチック成形の本”
日刊工業新聞社 6(2014)2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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集合住宅を想定した仮想同期発電機に関する研究
Studies on a Virtual Synchronous Generator for Multiple Dwelling House
16409 風間 暉久
指導教員 山下 健一郎‐99‐

図 1 分散型電源を有する集合住宅を対象とした VSG

図2

図3

3 相 PWM インバータの回路図

PSCAD を用いたシミュレーションモデル
AC_fillter : Graphs

AC : Graphs
300

Voltage (V)

0
-150
-300
300

E_bc

0
-150
-300
300

E_ca

0
-150
-300
0.000

0.010

0
-150
-300

0.020

0.030

0.040

0.050

...
...
...

Ebc_filter

150
0
-150
-300
300

150

Eab_filter

150

300

150

Voltage (V)Voltage (V)

E_ab

150

Voltage (V)Voltage (V)300

Voltage (V)

1. まえがき
地球温暖化や環境破壊などの問題を解決する
一つの方法として再生可能エネルギーの大量導入があげられる。しかしながら、電力変化を予測できない再生可能エネルギーを大量に導入した
場合、電力系統に大きな影響を及ぼす。電力系統の安定度はそれに接続される多数の回転型発電機によって支えられている。一方、再生可能エネ
ルギーを用いた電源は半導体で構成される電力変換装置を介して電力系統に接続されるが、これらは慣性力をもたないため、大量に導入した場合
系統は十分な安定度を保てなくなる。これを解決する方法の一つとして、電力変換装置に慣性力を付与できる仮想同期発電機(Virtual Synchronous
Generator (VSG))が研究されている[1]。
本研究では、太陽光発電等の分散型電源を有する集合住宅を対象とした VSG の開発を目的にシ
ミュレーションモデルや供試装置の開発を行う。
2. 分散型電源を有する集合住宅を用いた VSG
本研究で提案するシステムの構成を図 1 に示す。本システムでは、余剰売電を想定し、図示のように電力系統とシステムのキュービクルは一系統で接続される。キュービクルへ給電された電力は、集合住宅へ単相三線式（一般負荷）、三相
三線式（エレベータなどの動力）で給電される。
分散型電源の出力はインバータを介し三相三線式でキュービクルに供給され、集合住宅もしくは電力系統（電力余剰時）へ給電される。
本研究では図示のインバータに VSG の機能を付与するものであり、事故時には蓄電池のエネル
ギーを回転型発電機を模擬する形で放出することにより、系統の安定度を維持することができる。
3. 実験用供試装置とシミュレーションモデル
本システムの有用性を確認するためには、実験や理論的な検討が必要となる。図 2 に製作している PWM インバータの回路を示す。同図は分散型電源の出力（直流）をキュービクル（三相交流）に供給するためのものである。同装置はブートス
トラップ回路を用いることにより、単一電源でインバータの MOSFET を駆動することができる。
図 3 に本システムのシミュレーションモデル
を示す。
同モデルは PSCAD を用いたものであり、
図 2 の PWM インバータ部を表している。
VSG の制御系などを構築することにより、システム全体のシミュレーションを行うことができる。図 4 はその一例であり、PWM インバータの出力電圧あるが、正確な PWM 信号により、適切な正弦波

Eca_filter

150
0
-150
-300
0.000

0.010

0.020

0.030

0.040

0.050

...
...
...

(a) フィルタ挿入前(b) フィルタ挿入後
図 4 シミュレーション結果交流が得られることを確認した。
4. むすび本研究では、分散型電源を有する集合住宅を仮
想同期機とするシステムを提案し、同システムの有用性を確認するため、供試装置の製作とシミュレーションモデルの構築を行い、それぞれインバータ部を完成させた。
文 献[1] 平瀬裕子, “仮想同期発電機制御インバータの並列運転に関する研究”, 大阪大学大学院工学研究科博士学位論文(2016)
2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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小型簡易分光反射率測定器の改良
Improvement of Compact and Simple Spectral Reflectometer
16410 加藤 峻
指導教員 黒木 雄一郎
1.緒 言の反射率を同条件で測定し、効果を確認した。

分光反射率測定器は、物質表面の反射率を波長成分ごとに測定する分析機器の一つである[1]。
物質表面における波長ごとの反射率を測定する
ことにより、目視よりも精密に色の違いを定量化することが可能となる。一般に分光反射率測定器
は精密な測定が可能な反面、高価で大型である。
一方、実際の生産現場では、小型且つ迅速な測定が可能な機器が必要とされている。そのような市場からの要求に対して私の所属する研究室では小型簡易分光反射率測定器を開発した[2][3]。この測定器は、本体が小型であること、用途に応じたカスタマイズが可能といったメリットがある。
しかし、測定の際は測定器本体の他に電源が必要である点や、分光器モジュールを完全に固定できない点など、まだ改善の余地がある。そこで本研
究では、測定器本体に電源を搭載し、分光モジュールも内蔵できるように改良を加え、更に S/N 比も向上させることで、生産現場での利便性に資する測定器の開発を目的とした。
2.方 法

3.結 果

8

7

F

図 2 に図 1 の断面概略図を基に設計した小型
簡易分光反射率測定器の 3DCAD データを示す。
既存の装置に比べて全体的な大きさは少し増加
したが、分光器モジュールと電源、光源とその配線の内蔵が可能となった。
図 3 に改良した測定器を用いて色折り紙の反射率を測定した結果を示す。図 4 はその測定器の光路内にアルミニウムテープを貼った場合の結果を示す。改良した測定器では、光路の長さが従来のものより長くなっている関係上、光が多く吸収されてしまい、反射率が全体的に低く測定された。しかし、光路内にアルミニウムテープを貼った測定器では、光路内での光の吸収が抑えられ、
白色 LED では発光強度の低い 400〜435[nm](紫)と 610〜750[nm](赤から近赤外線)の領域でも、ある程度ノイズが抑えられていることがわかる。
6

5

4

2

E

125mm

PC

82mm

D

カ

ラ

ー

コ

ン

パ

F

9V電池ケースス

D

配線用
空きスペース

C

C

光源設置
場所
10mm

図 1 断面概略図

B

図 2 3DCAD データ
B

A

8

1

F

E

小型簡易分光反射率測定器を改良するにあたって、設計は Autodesk inventor(3DCAD)を用いた。
図 1 に設計した小型簡易分光反射率測定器の断面概略図を示す。光源用の電源は 9V 電池とし、配線も内部に納まるようにした。既存の装置と同様、外部光源の利用にも対応できるよう光ファイ
バ設置溝を用意した。光路断面積は 10mm2 固定、かつ入射角と反射角を 45 度とした。分光器モジ
ュールには C12880MA(浜松ホトニクス)を搭載
したカラーコンパス PCF(AT システム)を使用し、光源は白色 LED を用いた。バックデータを取得
し、ダーク補正を行った上で、積算回数を 200 回、露光時間を 256μs に設定した。また、PTFE 板を用い、これを反射率の基準(ホワイトデータ)として反射率の測定を行った。
取得したデータは CSV
ファイルにて出力される為、データの編集はExcel を用いた。また、測定時に生じるノイズは、
光路内で光が吸収されることで、光源の発光強度が低下することが原因のひとつと考えられる。そこで、改良した測定器の光路内にアルミニウムテープを貼り、対策を行った。その上で、色折り紙

3

作 成者

名前
shun8

A

日付
2020/10/09

確 認者
承 認者

1/1

7

6

5

4

3

2

1

A2

図 4 色折り紙の反射率
図 3 色折り紙の反射率(アルミニウムテープなし) (アルミニウムテープあり)

4.結 言
本研究では、生産現場での利便性に資する小型
簡易分光反射率測定器を設計した。また、測定時に生じるノイズは、光路内にアルミニウムテープを貼ることで低減することが確認できた。
文

献[1] (社)日本分光学会編「分光測定入門シリーズ第 5 巻
可視・紫外分光法」,講談社 (2009)[2] 樋口凱斗「小型簡易分光反射率測定器の製作」,サレ
ジオ工業高等専門学校,(2019)[3] 増山拓海「小型簡易分光反射率測定器の応用」,サレ
ジオ工業高等専門学校,(2020)‐100‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

廃炉創造ロボコンのロボット開発(機械開発)
Development of Robot for Decommissioning Robot Contest (Machine Development)
16411 川口 哲宗
指導教員 冨田 雅史
1.はじめに廃炉ロボコンは日本原子力研究開発機構と廃止措置人材育成高専等連携協議会が主催する大会である[1]。この大会は学生たちがロボット製
作を通じて廃炉に興味を持ち、創造性を発揮して課題解決能力や課題発見能力を養うことを目的としている。本研究室では昨年から参加を始めており、今年も書類選考を通過した。本論文では、
現在開発中の参加ロボットの機械部分について報告する。
2.機体の設計
今回の大会はプラットフォームと呼ばれる台から 3.2m 下にあるデブリを回収するミッションである。我々は、2 台の機体構成でこのミッションを達成することとした。本論文では、デブリ回収を行う機体について説明する。図 1 にデブリ回
収機体の外観を示す。なお、機体設計は 32bit
版 Design Spark Mechanical を使用した。

違いに配置した。
この機体はプラットフォームに残したクレーンでつり上げることで帰還する。その際、機体前部の箱に取り込んだデブリを落としてしまう恐れがある。この対策として、デブリ取り込み口にふたを設定する。このふたは小型モータを左右対称に配置することで小型だが信頼性がある仕組みとした。モータのトルク伝達部分は正転・逆転
いずれに回転しても緩まない両端めねじで挟み込む構造である。
図 2 に、モータユニットを示す。これはモータ
軸真横から掛かる荷重を取り除く構造となっている。

図 2 ラジアル荷重対処したモータユニット

図 3 に、プラットフォームにおいて、クレーンが子機を昇降させている ASSY 図を示す。これら
は、汎用部品を組み合わせる事で構成しており、製作期間の短縮化を目指した。

図 1 機体の外観

大会フィールドの床面はスノコである。このすのこの溝幅に合わせてキャタピラ左右ともに 2列使用する事とした。この構造は、伝達の穴が 2箇所になるので、脱線防止の信頼性がより期待出来る。駆動部(青)は、ハブを使わず、D カット構
造にする事でセットスクリューのボス幅削減が可能である。従動部のフランジブッシュはベアリ
ングの代替である。従動部は E リング溝付き無垢シャフト 8[g/cm3]を使用する予定だったが、M6ボルトを使用することによって左右一直線に引き伸ばさずに、3 種ナット(薄型ナット)による締結だけで、水平を保つ構造とした。その先端は袋ナットを使用する。なお、機体は可能な限り小型化する必要性ある。そのため、左右異なるキャタ
ピラの長さにすることでモータを縦方向に互い

図 3 ASSY 図

3.おわりに大会は、コロナ感染の影響を受け、ビデオ投稿による審査となってしまった。我々の結果は、おおむね動作は出来たが、子機をプラットフォームに引き上げる際に、引っかかってしまうという結果となってしまった。
文献[1] 廃止措置人材育成高専等連携協議会“第 5 回廃炉創造‐101‐

ロボコン実施要項”
2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

IH 調理器使用中におけるコンタクト電流と誘導電圧に関する研究
A Study on the Contact Current and Induction Voltage while Using IH Cooker
16412 川村 公音
指導教員 米盛 弘信
参考文献

[3]

[4]

[5]

‐102‐

2.0
Current[mA][2]

太良尾浩生,林則行,伊坂勝生：“実稼働中の家庭用電磁調理器の金属鍋に直接触れた場合における定常
短絡電流の実測”,電気設備学会誌,Vol.39,No.3,pp.1219 (2019)
鈴木敬久,多氣昌生：“誘導加熱調理器近傍の加熱周波数磁界の測定と人体誘導電流推定”,電学論 A,125
巻,5 号,pp.427-433(2005)
山本創太,米盛弘信：“IH クッキングヒータ使用中における調理器具の誘導電圧”,2019 年（第 37 回）電気設備学会全国大会講演論文集，p.562，福岡工業大
学 (2019)
山本創太,米盛弘信：“IH 調理器で油を使用した調
理中における調理器具の誘導電圧”,第 11 回大学コンソーシアム八王子学生発表会要旨集 CD-ROM（2019）
一般社団法人九州電気保安協会：“感電”https://www.kyushu-qdh.jp/public_interest/howto_electlic/shock/（2020 年 12 月 28 日閲覧）

Water

Oil

Pure Water

1.5
1.0
0.5
0.0
1

2

3

4

5

6

7

8

Measurement point(a) ほうろう鍋

2.0
Current[mA]

[1]

Water

Oil

Pure Water

1.5
1.0
0.5
0.0
1

2

3

4

5

6

7

8

Measurement point(b) ステンレス鍋

2.0
Current[mA]

1. 緒言
IH 調理器は，家庭内の電気製品の中で原理上磁界の発生源となる。そのため，加熱中に調理器
具(鍋やトング)を介して流れるコンタクト電流
や，人体が磁界にばく露された際の影響が懸念されている。特にペースメーカなどの体に植込むタ
イプの医療機器を使用しているユーザへの影響について関心が高まっている。このような背景のもと，IH 調理器周辺における人体への誘導電流の研究が盛んに行われている[1][2]。
本研究では，昨年度から進めている IH 調理器
使用中における誘導電圧と誘導電流に関する研究[3][4]を継続し，鍋の帯電現象，IH 調理器使用
中の鍋からユーザ側へ流れる可能性があるコン
タクト電流の発生条件とその対策方法を明らかにする。本稿ではコンタクト電流の測定結果，対策方法について述べる。
2. 実験方法
IH 調理器を使用して調理することを想定し，調理器具を模した銅パイプ，人体を模した抵抗(100Ω) [5]，鍋(ほうろう鍋・ステンレス鍋・IH 土鍋)を使用し，抵抗に流入する電流を測定した。測定点として，1：鍋の底，2～4：底から 1～3cm(1cmstep)，5～7：液体の水面から 1～3cm(1cm step)，
8：鍋の縁の 8 点を設定した。
3. 実験結果
図 1 にコンタクト電流の測定結果を示す。ほうろう鍋を使用した場合の最大値は約 1.3mA，ステ
ンレス鍋は約 1.4mA，土鍋は約 1.1mA の電流が測定できた。これらの結果より，IH 土鍋を使用した際の電流値が最も小さかったため，鍋の金属部分から漏洩した電流がコンタクト電流の原因の一つであると考えられる。さらに図 1 より，油を使用した場合は，一部のデータを除いて電流値が 0.5mA を下回っており，他の媒質と比較して電流値が小さいことが確認できた。
4. 結言
本稿では，ほうろう鍋・ステンレス鍋・IH 土鍋
使用中のコンタクト電流の測定結果を述べた。結果より，コンタクト電流は金属鍋を使用した場合と誘電率が大きい液体(水)を用いて調理した場合に発生すると考えられる。したがって，コンタ
クト電流を発生させないためには，土鍋などの発熱体が鍋本体とは別の材質になっている鍋，および調理の際には誘電率が小さい液体(油)を使用することが有効であるといえる。

Water

Oil

3

5

Pure Water

1.5
1.0
0.5
0.0
1

2

4

6

7

8

Measurement point(c) IH 対応の土鍋
図 1 各鍋を使用中のコンタクト電流

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

農業支援ロボットアームにおけるホール効果を利用した
圧力センサーの開発
Development of Pressure Sensor Using Hall Effect for Agricultural Support Robot Arm
16413 桐生 響
担当教員 黒木 雄一郎
1.背 景
近年、農家人口の減少が問題になっており、農業支援の一環として、農作業の IT 化及びロボッ
ト化に大きな期待が寄せられている[1]。農作業の一つとして収穫が挙げられる。収穫用ロボットは既に開発されているが、ほとんどはアスパラガス
やピーマンなどのある程度の硬さがあるものに限られている。そこで柔らかい野菜や果実を収穫できるロボットアームの開発が急がれている。私はその点に興味を持ち、一例としてトマトに着目し、潰さずに収穫できるロボットアームの開発プ
ロジェクトに参加している。プロジェクトには、有限会社サーフクリーンや東京農工大学などの複数の企業や大学が参加している。プロジェクト
ではロボットアームの先端に使用する圧力センサーの製作、評価を担当している。現在市販されている圧力センサーではトマトを潰してしまう
可能性があるため、新しく柔らかい素材の圧力センサーを製作する必要がある。そこで本研究では、
磁力センサーを使用した全く新しい圧力センサ
ーの製作、評価を目的とした。
2.方 法
製作するセンサーは図 1 のような構造である。
磁力センサーには旭化成電子の HW-300A という
ホールセンサーを使用する[2]。今回の実験では、
磁石とセンサーを一つずつ使用し、距離ごとの出力電圧を測定した。まず、センサーの入力側に電源、出力側にデジタル電圧計をそれぞれ接続した。
次に 1[V]の電圧を加え、磁石を接近させ、距離と出力電圧の関係を測定した。この時、出力電圧の変化がわかるように、距離を 15[cm]から 1[cm]ず
つ接近させ、変化が大きい場所は詳細に測定した。
ネオジウム磁石とシート磁石の 2 種類について同様の実験を行った。

3.結 果
ネオジウム磁石を用いた場合の実験結果を図 2に示す。横軸が距離、縦軸が電圧(対数表示)を示している。この図より、15[cm]〜2[cm]までは一定の割合で出力電圧が増加しているが、1.5[cm]からは距離の接近に伴い、出力電圧が増加していることがわかった。また、シート磁石を用いた実験の場合は 1[cm]〜0.5[cm]までは出力電圧はほとんど増加していないが、0.1[cm]〜0[cm]までは出力電圧が大きく増加することがわかった。

図 2 ネオジウム磁石を用いた際の出力電圧と距離の関係

4.結 論
トマトなどの柔らかい物を掴む場合、潰してし
まわないように低い圧力の変化を高精度に感知する必要がある。そこで、センサーに使用する磁石は、センサー出力電圧の変化が大きく、距離の変化も細かく感知できる必要がある。その点を踏
まえ実験結果を見ると、トマトを取り扱うためのロボットアームに適しているのはネオジウム磁石とホールセンサーの組み合わせであるということがわかった。
文 献[1]天野英二郎「スマート農業の推進：ICT・ロボット等を活用した農業の取組」、立法と調査.(No.359)、2014 年 12
月 9 日、参議院事務局企画調整室編集・発行[2]旭化成電子 HW-300A データシート

図 1 製作するセンサーの模式図‐103‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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Cu2O の分子動力学シミュレーション
Molecular Dynamics Simulation of Cu2O
16414 久保田 未来
指導教員 黒木 雄一郎
1. 緒 言近年、再生可能エネルギーである太陽電池が注目されている。酸化銅(CuO と Cu2O)は適度なバ
ンドギャップの大きさと高い光吸収係数を有しているため、シリコンに代わる太陽電池材料として期待されている[1,2]。また、構成元素の毒性が低く安価であることから硫化カドミウム(CdS)に代わる光伝導セルとしても期待されている[3]。
Cu2O は大気中では不安定であるが CuO に比べてバンドギャップが大きいことから、本研究ではCu2O に着目し金属酸化物で一般的に見られる酸
素空孔の拡散挙動を可視化することを目的として分子動力学(Molecular Dynamics : MD)シミュレ
ーションを行った。

3. 結 果図１(a)にシミュレーションに用いた Cu2O の初期結晶構造を示す。Cu2O は立方晶系の結晶構造
で あ る 。 図 １ (a)の 初 期 構 造 の 格 子 定 数 は a=12.80880[Å]とした。また酸素空孔を導入したエネルギー最小化計算後の構造を(b)に示す。エネ
ルギー最小化計算後には格子定数が 12.74997[Å]となった。また図１(b)より酸素空孔を導入した
ところの近くに存在する酸素原子や銅原子が空孔に接近していた。

(青:Cu 赤:O,3x3x3 のスーパーセル)(a)初期構造(b)エネルギー最小化計算後((a)格子定数 a=12.80880[Å], 体積 V=2101.4802 [Å3])((b)格子定数 a=12.74997[Å], 体積 V=2072.6575 [Å3])

図１

Cu2O の結晶構造

-580

-580

Total Energy / eV

Total Energy / eV

2. 方 法
分子シミュレーションの支援ソフトである
Atomsk を用いて結晶構造(cif)ファイルを分子動
力学シミュレーションソフトである
LAMMPS(Large-scale Atomic/Molecular Massively
Parallel Simulator)形式の構造ファイルに変換し、さらに 3×3×3 のスーパーセルを作成した。
VESTA(Visualization for Electronic and Structural
Analysis)を用いて得られたスーパーセルの結晶構造を確認した。LAMMPS を用いてエネルギー最小化計算を行った。計算に用いる原子間ポテン
シャルとして、電荷移動が考慮された COMB3[4]を用いた。その後、LAMMPS を用いて原子一つ一つに初速度と初期温度を与えて NPT(粒子一定,
圧力一定,温度一定)でスタートアップ MD 計算を
行 い 、 継 続 し て MD 計 算 を 行 っ た 。 最 後 に
VMD(Visual Molecular Dynamics)や OVITO(OpenVisualization Tool)を使用して分子運動の可視化を行った。これらすべてのシミュレーションをWindows10 のコマンドプロンプト上で行った。

酸素空孔

-600

-620

-600

-620

0

20000
40000
Number of steps

0

20000
40000
Number of steps(a)酸素空孔なし(b)酸素空孔あり
図２ 継続 MD 計算(273[K],全エネルギー)

図２に 273[K]における全エネルギーの継続
MD 計算結果を示す。図２より、酸素空孔が導入されることでエネルギーが低くなり、結晶が安定することが示された。
4. 結 言酸素空孔の拡散挙動を可視化することを目的
として Cu2O の分子動力学シミュレーションを行った。現在のところ可視化には至っていないが、酸素空孔の導入によりエネルギーが低下し結晶構造が安定することがわかった。
文

献[1] A. E. Rakshani, “Preparation, characteristics andphotovoltaic properties of cuprous oxide”, Solid StateElectron., 29(1986)7[2] F. P. Koffyberg, F. A. Benko, “A photoelectrochemical
determination of the position of the conduction and valenceband edges of p‐type CuO” J. Appl. Phys. , 53(1982) 1173
[3] 小泉響輝, “酸化銅を用いた光伝導セルの作製”, 大学コンソーシアム八王子(2018)[4] Bryce Devine,Tzu-Ray Shan,Yu-Ting Cheng, “Atomistic
simulations of copper oxidation and Cu/Cu2O interfaces
usingcharge-optimized many-body potentials”,Phy. Rev.,
B84(2011)125308‐104‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

空き瓶パルスジェットエンジンの燃焼時間向上を狙った実験
Experiments of Bottle Pulse Jet Engine for Combustion Time Extension
16415 倉田 亮佑
指導教員 廣瀬 裕介
1. 緒 言ジェットエンジンにはさまざまな種類があり，その中でパルスジェットエンジンはタービンやコンプレッサを有していないことから，最も単純な構造であるエンジンと言える．推力は，燃焼をパルス(断続)的に繰り返すことで得る．具体的には，燃焼室に空気を取り込み，燃料を噴射してできた混合気に点火して爆発燃焼させ，爆発圧力により燃焼ガスを排出する．さらに，燃焼室が負圧になったことで新しい燃料と空気を吸引し，混合気を発生させて再び燃焼させるというサイクルを連続的に繰り返して作動する．現在は，動作音の大きさが影響して航空機への実用化はされていないが，軽量性，コストの低さ，熱効率の高さ
といった長所から，大阪ガスが 1983 年に工業用
液加熱熱源としてパルスバーナーを販売し，アメリカでは，温水ボイラや温風暖房機が実用化されている[1] [2]．
パルス燃焼は，上述したように，燃焼，排気，吸気を繰り返して動作する．この燃焼方式のため，燃焼室内部は圧力変動が激しく，燃焼ガスの高温や衝撃に耐えられるよう金属を素材に使っている．そのため，エンジン内部の燃焼の様子は観察
されてこなかった．
今回，燃焼の様子を肉眼で観察するためにパル
スジェットエンジンの素材として空き瓶を使用することによる透明化を図った．しかし，この空き瓶パルスジェットエンジンは，空き瓶の容量，
燃料の種類，吸排気口の直径といったパラメータが最適化されていないため，燃焼時間が短いという欠点がある．本研究では，課題であるパラメー
タの最適化により燃焼時間の向上を目的とする．
2. 実 験
実験条件は，燃料についてはエタノール濃度
5%，21.4%，100%で，吸排気口の直径は，13mmと16mm で比較する．アルコール量は 5ml 固定，空気入れのプッシュ回数は 30 回固定として，空き瓶容量 300ml 及び 500ml に対してそれぞれ 5回ずつ実験を行った． 図 1 は，使用する空き瓶を 500ml のペットボトルと比較した写真である．
具体的な実験方法として，空気入れを一定の回
数プッシュし，瓶内部にアルコールと空気の混合気を発生させる．着火方法は，蓋の穴付近にチャッカマンを近づける．これにより，混合気を燃焼させてエンジンを動作させる．また，燃焼時間の測定は，カメラの録画機能を用いて計測し，空き瓶が割れる場合を考慮し、水を張ったプラスチッ

クトレーに瓶を入れた状態で実験する．

(a)300ml(b)500ml
図 1 使用する空き瓶

3. 結 果
実験結果を図 2 に示す．横軸はエタノール濃度，縦軸は 5 回実験した内の平均燃焼時間である．まず，空き瓶容量 300ml で吸排気口の直径
13mm で行った場合，(a)を見るとわかるように，
エタノール濃度 5%で 1.9sec, エタノール濃度
21.4%で 2.2sec, エタノール濃度 100%で 7.0sec と,エタノール濃度に比例して増加している．また，吸排気口の直径16mm で行った場合も同様である．
一方，(b)に示すのは空き瓶容量 500ml，吸排気口直径13mm 及び16mm で行った場合のグラフである．まず， 13mm の場合、エタノール濃度
5%で 7.0sec，エタノール濃度 21.4%で 5.5sec，エタノール濃度 100%で 0.35sec と, エタノール濃度に反比例して減少している．吸排気口の直径 16mm で行った場合も同様であることが分かる．

(a)300ml(b)500ml
図 2 燃焼時間の計測結果

4. 結 言空き瓶容量 300ml の場合はエタノール濃度
100%が，空き瓶容量 500ml の場合はエタノール
濃度 5%が最適な燃料であることが分かった．また，吸排気口の直径については，300ml 及び 500mlの結果共に13mm が最適であることが分かった．
文 献[1] 豊永肇,長谷部宏之,“パルス燃焼の技術と応用”,大阪
ガス株式会社,燃料協会誌,第 70 巻,第 5 号(1991),pp404[2] 岸 本 健 , “ パ ル ス 燃 焼 の 現 状 と 将 来 ”, 国 士 舘 大 学(1991),pp.389‐105‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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太陽光発電を用いた沿岸センサネットワークへの電力供給の検討
Study of Power Supply to Coastal Sensor Networks Using Solar Power Generation
16416 小嶋 碧斗
指導教員 吉田 将司[2][3]。以上の結果から、6 日間以上連続動作して

1 緒言
現在、山口県周防大島町の沿岸域に設置されており、本システムで従来よりも良い電力供給が可能

いる沿岸センサネットワーク用の電源が充電式乾電になり、周防大島へ設置しても問題なく動作できると池となっており、観測が 6 日間程度しか継続できな考えられる。

い[1]。 そのため、長期間の観測を行うためには、遠3 結言方に設置されている装置の乾電池を定期的に交換

本稿では、太陽光発電システムを構築して本校する必要があった。また、設置場所の都合上、ケー屋上に設置し、ノード動作の確認実験を実施した。

スを開けることなくノードの状態を確認することが求

その結果、1 週間以上観測ノードを動作させられた

められた。そこで本稿では、その問題を解決するたため、今後、本システムを用いることが出来る。今後

めに、再生可能エネルギーの 1 つである太陽光パネ

は、山口県周防大島へシステムを複数台設置し、観ルを、マイコン付きコントローラーで制御する電力供測実験を実施する。また、風力発電機や潮流発電

給方法について検討した結果を報告する。

機を取り付け、悪天候時でも継続して発電を行える

2 方法

ようにする。

2.1 実験方法

文献

図 1 は IW12051-BP を用いたシステムを示す。太
陽光パネルは GWSOLAR 社製の 20[W]、チャージ
コントローラーは IndoorCorgi 社製の IW12051-BP、鉛蓄電池には KUNG LONG BATTERIES 社製の[1] 吉田将司,柴田健吾,千葉元,“周防大島汽水域における海水温観測システムの検討”,知覚情報次世代産業システム合同研究会報告書,79-84,電気学会(2020)[2] 気象庁 過去気象データ 東京都八王子市[3] 気象庁 過去気象データ 山口県柳井市

12[V] 7.2[Ah]、水温観測ノードと塩濃度観測ノードの送信モジュールには LoRa を搭載し、塩濃度計は佐藤商事社製の WA-2017-SDJ-CD を使用した。
IW12051－BP を用いたシステムの実験を以下の順で行った。
(1)

図 1 の様に E32-SolarCharge を用いたシステムを組み本校屋上に設置する。

(2)

2020 年 12 月 17 日 17：20 から 12 月 26 日 22：

図1

IW12051-BP を用いたシステム

32 まで測定を行う。
2.2 実験結果
図 2 は実際に制作したシステム、図 3 は充放電結果を示す。図 3 より日中太陽光パネルが発電している時は鉛蓄電池へ充電しているため電圧が上昇し、

図 2 実際に制作したシステム

夜間発電出来ない時は鉛蓄電池に充電された電力で観測ノードを動かすため約 0.64[V]電圧が低下していることがわかる。本コントローラーは負荷切断の判断電圧が 10.5[V]で、切断解除の判断電圧が13.2[V]となっており、電圧の差が 2.8[V]と大きく取られている。そのため、解除まで約半日かかってしまう。
しかし、今後設置を予定している山口県周防大島町
は八王子市より 1 年間の日射時間が長く、鉛蓄電池の電圧が 10.5[V]を下回ることは少ないと考える‐106‐

図 3 充放電結果

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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小水力発電を組み合わせたハイブリッド PV モジュールの提案
A Proposal of Hybrid PV Module Power Generation System Combining Small Hydropower
16417 児玉 速汰
指導教員 米盛 弘信
1. 緒言
現在，地球温暖化が深刻化しており，世界各地で再生可能エネルギーを用いて「脱炭素化」に向けた取り組みが行われている[1]。しかし，再生可能エネルギーにも問題点がある。それは気候の変動等によって発電量が異なり，電気の安定供給が困難な点である。この問題に対して，本研究では複数の再生可能エネルギーの発電方法を組み合わせることで，電気の安定供給が可能であると考えた。そこで小水力発電・太陽光発電・温度差発電を組み合わせた発電システムを提案する[2]。
本稿では，小水力発電を組み合わせたハイブリ
ッド PV モジュールの提案，および試作した水車の出力特性の評価を行う。
2. 提案するハイブリッド発電システム
図 1 に提案する発電システムを示す。発電場所
は，河川における段差である。水が段差へ落ちる
前に水路を繋ぎ，水が落下する力により，水車を回転させて小水力発電を行う。太陽光発電は，PVモジュールを用いて発電を行う。温度差発電は，熱電変換素子を用いて発電を行う。図 1 のように
熱電変換素子の片側に PV モジュール(輻射熱を受けた高温側)，反対側にヒートシンク(水冷されている低温側)を取り付けて水路に設置し，発電を行う。PV モジュールを高温側として取り付けた目的は，輻射熱の影響で高温になる性質を活用できるためである。低温側は，河川の水を用いる
ことで，熱による水温上昇を防げるため，温度差を保ち続けながら発電を行うことが可能である。

図１を求める。出力電力及び回転数は，データロガー
にて測定を行った。

図 2 流速の測定方法

4. 実験結果
表 1 に水路内の流速・流量と水車の回転数の結果を示す。表 2 に実験に用いた水車の出力の結果を示す。表 1・2 の結果より，水路内に毎秒 6.5L
流れれば，回転数 60rpm，出力電力 0.98W を得られる事がわかった。
表 1 水路内の流速・流量と水車の回転数
Velocity
[m/s]
0.54

Section[m2]
1.2×10-2

Flow[m3/s]
6.5×10-3

Rotation Speed
[rpm]
60

表 2 水車の出力
Resistance[Ω]Voltage[V]Electric Power [W]

50

7.0

0.98

5. 結言
本稿では，小水力発電を組み合わせたハイブリ
ッド PV モジュールの提案と試作した水車を河川に設置した場合の出力特性の評価を行った。その結果，水路内に毎秒 6.5L 流れている場合，回転数 60rpm，出力電力 0.98W を得られることが確認できた。
今後の展望として，PV モジュールを設置した場合の出力特性，有効性について明らかにする。

提案する発電システム

3. 実験方法
本実験は，水路に流れる体積流量から水車の回転数を測定し，得られる出力電力を測定する。図
2 に本研究の流速測定方法を示す。水路内を流れる水に対し，図 2 のようにストローの長辺を鉛直に立てることで，ストロー内の水面が上昇する。
水路の水面からストロー内の水面までの高さを測定し，トリチェリの定理に代入することで流速

参考文献
[1]

[2]

‐107‐

池原庸介：“脱炭素社会に向けた世界の動向と国家アクターによるイニシアティ”，環境管理，7 月号，vol.55，pp.39-41(2019)児玉速汰，米盛弘信：“小水力発電を組み合わせた
ハイブリッド PV モジュール発電システムの提案”，
2020 年（第 38 回）電気設備学会全国大会講演論文
集 CD-ROM，東京電機大学 (2019)2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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廃炉創造ロボコンのロボット開発（回路開発）
Development of Robot for Decommissioning Robot Contest（Circuit Development）
16419 小林 祐
指導教員 冨田 雅史
1. はじめに
本研究室では本年度開催される廃炉創造ロボコン（以下廃炉ロボコンと省略する）に出場することが決定した。廃炉ロボコンとは、文部科学省と廃炉措置人材育成高専等連携協議会が主催する行事である。内容としては、原子力発電所の廃炉処理作業を無人で行うことを想定したコンテストである。昨年度からの課題は、原子炉を模したフィールドでのロボットの操作やデブリの回収をミッションである。大会ルールにより操縦者からロボットは視認できず、遠隔操作を不自由なく行えるシステム構築が要求される。
2. 制御回路の構成
制御回路の略図を図 1 に、コントローラの写
真を図 2 に示す。去年度開発したロボットは、ロボットの車体にバッテリーを搭載したため重量が大きくうまく動作できなかった。この課題
より電源を手元に置けるように設計した。電源はロボットまでの電線による電圧降下を見越して 12V とした。制御のために、Arduino を用いる。電源電圧を 5V に降圧したものを Arduino への制御信号として扱い、その先に多段にリレーを接続することでロボットへ 12V の電圧を印加することとした。ロボット移動のためのモータ
を、PWM 制御で速度制御できるように設計した。コントローラに電源切り替えにオルタネイ
ト型スイッチ、ロボット移動用モータの制御に
ジョイスティックを用いる。また L 字パーツ、デブリ回収、子機昇降用モータ制御にタクトス
イッチと二端子マイクロスイッチを用いた。ジョイスティックを前後に倒すことで子機の移動を前後させることが出来る。また左タクトスイ
ッチを押しながら他のスイッチを押すことで、L字パーツ、デブリ回収、子機昇降用モータの正逆転を制御することが出来る。

図 2 コントローラ

3. 製作した制御回路とコントローラ
図 3 に完成した制御回路とコントローラを示す。回路と電源は木箱に入れて固定した。また各回路とコントローラはユニバーサル基板に素子をはんだ付けし回路を構成した。ロボット組
み込み前に動作確認を行ったところ、プログラムに設定したような動作を行わなかった。そのため、移動用モータの PWM 制御やその他モータ
逆転用のスイッチを設けることを断念し、プログラムの一部を変更した。その状態でロボットに組み込んだところ、正常な制御を行うことが出来た。

図 3 製作した制御回路とコントローラ

4. まとめ
本稿では廃炉ロボコンで使用したロボットの制御回路、コントローラについて報告した。本来行う予定だった制御方法がうまくいかなかったことから、回路とプログラムを変更したとこ
ろ、正常な制御を行うことが出来た。大会結果
は、残念ながら入賞はできなかった。
参考文献
図 1 制御回路略図[1]後藤修一 “廃炉ロボコンで使用するコントローラの設計・開発” (2020)[2]福田和宏 “これ 1 冊でできる! Arduino ではじめる
電子工作 超入門” (2018)‐108‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

ヒドロニウムアルナイトの分子動力学シミュレーション
Molecular Dynamics Simulation of Hydronium Alunite
16420 小林 優斗
指導教員 黒木 雄一郎
1.緒 言
私が所属する電子セラミック研究室では、レア
メタルを用いない新たな蛍光物質である銅添加
ヒドロニウムアルナイトを発見した[1]。銅添加
ヒドロニウムアルナイトは銅、アルミニウム、硫黄、酸素、水素で形成される蛍光物質であり、その発光原理には結晶内部の水素結合が関係することを明らかにしてきた。しかし、現状では従来の蛍光物質を代替できるような発光強度は得られていない。この物質の発光強度向上のためには、基礎的な結晶構造と水素結合を詳細に調べる必要がある。しかし、結晶内の水素位置や水素結合
を X 線回折等の実験的手法で解明することは容易ではない。そこで本研究では、分子動力学シミュレーションを用いて、水素および水素結合の動的挙動を解析することを目的とした。
2.方 法
本研究における分子動力学計算では、LAMMPS(Large-scale Atomic/Molecular Massively
Parallel Simulator)コードを用いた。ヒドロニウム
アルナイトの初期構造[2]を LAMMPS 入力ファイルに変換した。ポテンシャルとしてレナードジ
ョーンズ型を採用し、結合長および結合角については CLAYFF（粘土構造における一般的な力場）のパラメーターを用いた[3]。原子間に斥力が働く場合、原子間距離が狭まるほどクーロンエネル
ギーが高くなる。また、原子間に引力が働く場合、原子間距離が狭まるほどクーロンエネルギーは低くなる。そこで、まず始めに、エネルギー最小化計算を行い、原子間に働く力を 0 にする。次に、スタートアップ計算に移行する。この計算では、温度を設定することで原子に初速度を与える。以上の計算を踏まえて、Molecular Dynamics(MD)計算を行う。この計算では、ステップ毎に原子座標を書き出し原子の動きを可視化する。
3.結 果
図 1 は分子動力学シミュレーションに用いた
ヒドロニウムアルナイトの初期構造である。この構造を用いて MD 計算まで行ったところ、
図2の+ようにヒドロニウムイオンH3 O が a-b 軸平面内で回転する挙動を観測することに成功した。また、AlO6八面体の下部にある酸素が外側に屈曲し、八面体の c 軸方向の傾きが増大することを明らかにした。

青:アルミニウム
黄:硫黄
赤:酸素
桃:水素

図 1 ヒドロニウムアルナイトの初期結晶構造

図 2 ヒドロニウムイオンの回転挙動

4.結 言
本研究ではヒドロニウムアルナイトの各原子間における 2 体間ポテンシャルを調査し、各原子のポテンシャルを設定した。また、初期構造ファイルを用いてエネルギー最小化計算を行った。エ
ネルギー最小化後の構造を用いてスタートアップ計算を行うことで、各原子に熱エネルギーを設定した。その後、MD 計算を行い、ヒドロニウム
アルナイトにおける原子の動的挙動を観測した。
以上の研究を踏まえてヒドロニウムアルナイト
におけるヒドロニウムイオンH3 O+ の回転挙動を観測することができた。また、AlO6八面体の酸素が外側に屈曲し、八面体の c 軸方向の傾きが増大することを明らかにした。
文 献[1] 黒木雄一郎, 岡元智一郎, 高田雅介, セラミックス
誌, 51, 321(2016)[2] J. D. Gale, K. Wright and K. A. Hudson-Edwards, Am.
Miner, 95, 1109(2010)[3] Randall T. Cygan, Jian-Jie Liang, and Andrey G. Kalinichev,
J. Pys. Chem. B, 108, 1255(2004)‐109‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

型リン酸三カルシウム/ポリ乳酸複合材料の力学的特性に及ぼす界面処理の影響
Effect of Interfacial Treatment on Mechanical Propertiesof -tricalcium Phosphate/Poly(lactic acid) Composites
16421 才木 一眞
指導教員 坂口 雅人
1. 緒 言今日の医療では骨折した際の骨固定用材料に金属材料が多用されるが，生体適合性に劣り，取り出す為の再手術を要する．その為，生体内で分解・吸収される事で再手術を必要としない型リン酸
三カルシウム/ポリ乳酸複合材料 (-TCP/PLA)が注目されている．既存の-TCP/PLA では骨固定用材料としての力学的特性が不十分である為，界面処理した-TCP/PLA の引張延伸により力学的特性を向上させる事に着目した．しかし，この研究を行うには界面処理による強度向上を事前に確認する必要がある．Kobayashi らは 0~12 %の L-乳酸
で界面処理した結果，6 %が最も高強度 (約 50
MPa) で あ っ た 事 を 報 告 し て い る [1] ． ま た ，Fengcang ら は ス テ ア リ ン 酸 で 界 面 処 理 し た
-TCP/PLA が未処理の-TCP/PLA よりも高い強度 (64.6 MPa)を示した事を報告している[2]．本研
究では 0, 6, 24 %の L-乳酸及びステアリン酸で界面処理した-TCP/PLA の力学的特性を引張試験にて調査した．結合剤量の違いから生じる強度変化や界面処理による強度向上を確認する事が本研究の目的である．
2. 方 法
2.1. 界面処理
L-乳酸処理では L-乳酸及び-TCP (粒系:4 m)
を 80 °C の精製水 200 ml に加え，撹拌機にて 3 時間撹拌した．また，ステアリン酸処理ではステア
リン酸及び-TCP を 60 °C のエタノール 200 ml に加え，ロータリーエバポレーターにて 3 時間反応させた．界面処理後はそれぞれ真空乾燥炉にて真空乾燥させ，粉砕機にて細粒化した．尚，Mass for
-TCP (%)は-TCP100 g 当たりの L-乳酸及びステ
アリン酸の質量を表す．
乾燥炉を用いて PLA (Mn:10×104)を 70 ºC で 24
時間絶乾後，連続式二軸混練機にて PLA と界面処理した-TCP (30 mass%)を熱混練する．混練条件
は胴体温度 200 ºC, 製品温度 200 ºC, 回転速度 81rpm である．混練した材料は粉砕機にて粉砕した．
試験片はホットプレスを用いた押切成形により成形した．
乾燥炉にて 70 ºC で絶乾した-TCP/PLA50
g を PTFE シートで挟み込み,金型の中に入れ，ホットプレスで金型を 200±5 ºC まで加熱する．金型の温度が 200±5 ºC まで達した時点から 10 分間静置して溶融後，5 kN で 10 分間加圧した．

2.2. 引張試験
成形した試験片 (130 mm×120 mm)はラボカッターで 10 mm×80 mm に切断し，アルミタブをタブ間距離が 40 mm になるように接着する．引張試
験は引張速度 0.5 mm/min で万能試験機を用いて測定を行った．
3. 結 果L-乳酸処理した-TCP/PLA における引張強度及び弾性率を図 1 に示す．6 %の引張強度は 0 %よりも約 30 %低くなった．また，弾性率は 0 %と 6 %でほぼ同等になった．24 %で L-乳酸処理した
-TCP/PLA は脆く引張試験での測定を行う事が出来なかった．

図 1 L-乳酸処理における引張試験結果

4. 考 察L-乳酸処理の際に-TCP が凝集した事で，界面処理した-TCP/PLA の強度低下が生じたと考えられる．-TCP の凝集は-TCP に付着する L-乳酸の層を厚くする可能性がある．また，引張強度の標準偏差が大きい事から試験片内部に生じた気泡に影響を受けた事も考えられる．
5. 結 言L-乳酸処理した-TCP/PLA の強度が向上しなかった為，L-乳酸処理の方法を改善する必要がある．
ステアリン酸処理した-TCP/PLA の力学的特性はまだ調査出来ていない．
文 献[1] Satoshi Kobayashi, Risa Nagao, “Effect of surface
modification of -tricalcium phosphate on mechanicalproperties of poly(L-lactic acid)”, Advanced Composite
Materials, 24 巻 5 号 (2015), pp.467-480.
[2] Fengcang Ma, Sai Chen, Ping Liu, 他, “Improvement of
-TCP/PLLA biodegradable material by surface
modification with stearic acid”, Materials Science andEngineering C, 62 巻 1 号 (2016), pp.407-413.

‐110‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

クロムを添加した酸化チタンにおける分子動力学シミュレーション
Molecular Dynamics Simulation of Titanium Oxide with Chromium Addition
16422 佐藤 大輔
指導教員 黒木 雄一郎

(青:Ti

赤:O)

図 1 ルチル型酸化チタンの結晶構造(2) 添加物を考慮した MD 計算
酸化チタンにクロムを 0.1%添加したモデル(置換・挿入)は、atomsk を用いて作成する[6]。このモデルを用いて(1)と同様の MD 計算を実施して、格子定数および原子位置を確認する。
3. 結 果クロムを添加した酸化チタンにおける各原子間のポテンシャルエネルギーについて、図 2 に原子間に働く VdW、クーロン力およびその合成ポテンシャルを示す。Ti-Cr 間では、陽イオン同士のクーロン斥力が支配的となることが示された。
また、O-Cr 間では、VdW とクーロン力の合成に
よりポテンシャルが極小点(結合距離に相当)を持つことが示された。0.1%のクロムを酸化チタンの結晶構造内にランダムに添加した結果を図 3に示す。1000℃で熱処理した結果、クロムの原子
座標は a 軸が 23.7987 [Å]、b 軸が 7.96864[Å]、c軸が 25.4142[Å]であった。
1000

Potential Energy / kcal/mol

1000

Potential Energy / kcal/mol

1. 緒 言近年、株式会社信光社の特許において、酸化チ
タンに微量のクロムを添加することにより赤外発光が得られることが報告された[1]。また、紫外線照射により可視光を発光する従来のセキュリ
ティインクに比べて、目視できない赤外線を発光するクロムを添加した酸化チタンは、偽造防止効
果の高いセキュリティインクへの応用が期待できる[2]。これまでに、クロムを酸化チタンに添加した際、熱処理温度によって母体結晶である酸化チタンの格子定数が変化することが確認されている[3]。しかし、その際のクロムの原子位置は確認できていない。本研究は、クロムを添加した酸化チタンにおける格子定数の変化、およびその際のクロムの原子位置を分子動力学シミュレーシ
ョンで確認することを目的とする。
2. 方 法(1) 初期構造とポテンシャルファイルの準備
結晶構造の可視化ソフトである VESTA を用いて初期結晶構造を構築した[4]。これまでの実験
により、クロムを添加した酸化チタンの母体結晶
はルチル型であることがわかっている[3]。
図1にルチル型酸化チタンの結晶構造を示す。酸化チタンにおける各原子のファンデルワールス(VdW)
エネルギーはレナードジョーンズ型を採用し、分
子動力学シミュレーションソフトである
LAMMPS(Large-scale atomic/Molecular Massively
Parallel Simulator)を用いて最小化計算、スタート
アップ計算および MD 計算を行う[5]。

500

0
0

5

10

500

0

-500

-1000
0

5

10

r/Å

r/Å

(黒:VdW エネルギー

赤:静電クーロンエネルギー
緑:トータルエネルギー)(a) 斥力(Ti-Cr 間)(b) 引力(O-Cr 間)
図 2 各原子間のポテンシャルエネルギー

(青:Ti

赤:O

黄:Cr)

(a) 全体像(b) Cr 添加付近(拡大)
図 3 クロムを 0.1%添加した酸化チタン(可視化)

4. 結 言原子間における静電クーロンエネルギーには、原子の電荷によって引力と斥力の関係が存在することを確認した。0.1%のクロムを酸化チタンの結晶構造内にランダムに添加し、クロムの原子位置を確認した。
文 献[1] 特開 2010-53213「蛍光発光材料及びその製造方法」(株式会社信光社)[2] P. Kumar, J. Dwivedi, and B.K. Gupta, J. Mater. Chem.
C, 2, 10468 (2014)[3] 黒木雄一郎, 澤蒔音, 日本セラミック協会, 53, 485(2018)[4] Momma, K. and Izumi, F, J. Appl. Crystallogr, 41,653(2008)[5] S. J. Plimpton and A. P. Thompsom, MRS Bulletin, 37,
513(2012)[6] Pierre Hirel, Comput. Phys. Comm. 197, 212(2015)‐111‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

幼稚園向け熱中症対策ツールの開発
Development of Heat Stroke Countermeasure Toole for Kindergarten【一行空けます】
16423 佐藤 優斗
指導教員 冨田 雅史【一行空けます】
1. はじめに
3. 改良点の明確化
日本技術者教育認定機構(以下、JABEE)はエン
本研究では、テストを目指し、先行研究においジニアリング・デザイン教育の充実を推進しておて未完成であったプロトタイプ機の製作を引きり、「JABEE におけるエンジニアリング・デザイ続き行う。その中で新たに以下に示す項目が課題
ン教育への対応 基本方針」における 5 つの観点
であった。
[1]
を基本方針として掲げている 。図 1 に示す発想① 観測値を表示する回路(以下、7 セグ制御回
法は「デザイン思考」とよばれるものである[2]。
路)、プログラムが未完成であった
この思考はエンジニアリング・デザインを学ぶで② 熱中症危険度表示部が未完成であったも重要な思考であると考えられる。本研究ではエ③ Raspberry Pi で観測値の受信と熱中症危険ンジニアリング・デザインの概念にもとづき、デ度の算出、Arduino で観測値の表示を行っ
ザイン思考を用いる。本研究は先行研究から引きていた継ぎ、プロトタイプステップから始め、テスト、④ Raspberry Pi の開発言語に Node-RED を使共感へとデザイン思考のサイクルを回すことを用していた目標とする。
測定器においては④が、表示器においては①、②、③、④が改良すべき課題である。表示器において 7 セグ制御回路が未完成であったため、新たに製作した。この過程で測定器と表示器をRaspberry Pi に統一するほか、測定器、表示器共
図 1 デザイン思考の発想法に開発言語を Python に変更する。
2. システムの仕様先行研究において、熱中症対策ツールの必要な機能について、サレジオ幼稚園教諭を対象に調査、検討を行った。その結果、以下に示す 7 つの要求品質が得られ、これらを満たす試作機の製作が行われた。
① 表示器と測定器を設置する② 測定値(温度及び湿度)を表示器に表示する③ 熱中症危険度を表示する④ 熱中症危険度を警告する⑤ 屋外(校庭)に設置する⑥ 遠くからの数値の確認を可能にする⑦ 地面から浮かせて設置する
これらの要求品質をもとに考案したシステムの全体像を図 2 に示す。システムの動作手順は測定器にて気温、湿度、輻射熱を観測し、表示器へ観測値を送信する。表示器は受信した観測値から
熱中症危険度を算出するとともに、気温、湿度、
熱中症危険度を表示する。

4. まとめ本研究ではデザイン思考のサイクルを回すべく、先行研究から引き継いだ熱中症対策ツールプ
ロトタイプの製作を行った。その中で製作を進めるにあたっての課題を検討し、改良を行った。その結果、7 セグ制御回路とプログラムが完成した。
開 発 し た シ ス テ ム は Windows 環 境 を 用 い ず
Raspberry Pi 単独での開発が可能である。また、開発言語をライブラリが充実している Python とすることでデザイン思考を容易に回すことができる可能性を備えることができた。
5. 今後の課題
今後はプロトタイプ機の完成を目指し、課題にある熱中症危険度表示部の製作や測定器の開発
言語変更を進めていく。課題の改良を行い、プロ
トタイプ機が完成次第当該幼稚園でのテストを行い、新たな改善点を調査する。また、デザイン科と共にデザイン面でも優れた熱中症対策ツールの開発を行いたい。
参考文献

図 2 システム全体像[1] 認定委員会委員長 大中逸雄,JABEE におけるエンジ
ニアリング・デザイン教育への対応基本方針,https://jabee.org/doc/engineering_design_100430a.pdf,28/4/2010.
[2] 株式会社ハートクエイク,サービスデザイン思考の 5
原則とデザイン思考の課題, https://heart-quake.com/article.php?p=6529, 4/1/2019‐112‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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遠隔地での運用を想定した土壌水分浸透センサシステムの検討
Examination of Soil Moisture Infiltration Sensor System Assuming Operation in Remote Areas
16424 澤田 陸志
指導教員 吉田 将司
1. はじめに
農業では農業従事者の減少が大きな問題となっている。平成 7 年では約 256 万人だった農業従事者は平成 30 年には 145 万人まで減少した[1]。
農家の多くは経験によるノウハウで栽培を行っている。暗黙知による栽培を定量化することができれば、より新規参入者でも高品質の野菜を育てられると考えられる［2］。
先行研究では、栽培に重要な土壌内の水分量に着目し、深さ約 30[㎝]まで測定可能な土壌水
分浸透センサを開発した。本研究では先行研究で開発された土壌センサシステムを基に、①先行研究で開発された土壌水分浸透センサに無線
通信システムを構築し、遠隔地での運用を可能にする、②土壌センサの精度の調査、③土壌内の水分量で腐食度合が異なるのかの調査、④同じ原理で動作する既製品の土壌センサと開発された土壌センサの比較について検討した。
2. 実験方法
2.1. センサプローブの評価実験
土壌センサを 3 本使用し、水に浸けた状態と水に浸けない状態で 1 時間センサ値を測定した。
2.2. 栽培実験
プランターにて二十日大根を栽培しながら、センサで土壌内の水分量を測定する。開発した
土壌センサと同じ原理で動作する既製品の土壌センサを用いて実験を行った。
3. 結果
離れた場所に設置したノードと研究室に設置した基地局間で、無線通信ができたことを確認した。Arduino nano を使用して小型化したノードの試作を行い、動作確認ができた。スマホやパソコンなどで安易にデータを閲覧することが可能となった。
センサを水に浸けた状態のセンサ値の平均値
は 790.5 となった。標準偏差は 32.4 であった。
水に浸けていないときのセンサ値は 0 であった。
しかし、各実験でセンサ値が異常な箇所があった。
二十日大根の栽培は芽が出るところまでしか本研究ではできなかった。図 1 は土壌センサを使用してから 25 日後の電極の写真である。測定箇所の左右の電極で腐食度合が異なることがわかった。図 2 は 1 月 29 日と 2 月 1 日の 13 時に測定した結果である。縦軸の上が土壌の表面、下側が表面から約 30[cm]の場所にあたる。横軸はセンサ値を表しており、左の方が乾燥している状態となる。開発した土壌センサと既製品の土壌センサの値に大きな違いはなかった。
4. まとめ先行研究で開発された土壌センサのデバイスを基に、遠隔地でも運用できるように無線通信システムを構築して、実用性を向上させた。土壌センサの精度を調査した結果、センサ値が758.1～822.9 であれば、土壌内に水が満たされている状態にあることが分かった。開発した土壌センサと同じ原理で動作する土壌センサのセンサ値は近い値を示しており、同等の性能であることが考えられる。
5. 今後の展望
栽培した二十日大根の根が大きくなるまで栽培できなかったため、引き続き大根の栽培を継続し、土壌センサの性能や外部へ与える影響を調査する。土壌センサの電極が腐食する現象については、東京高専の方と連携して調査していく予定である。
文献[1]総務省 「農業労働力の確保に関する行政評価・監視-新規就農の促進対策を中心として-」https://www.soumu.go.jp/main_content/000607884.pdf[2]邊見穣,「土壌水分浸透センサを活用した土壌内可視化の検討」, サレジオ高専,卒業研究論文 2019

図 1 土壌表面から約 30［㎝］地点の電極

図2
‐113‐

1 月 29 日（右）と 2 月 1 日（左）の測定結果
2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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移動体を対象とした中継コイル方式非接触給電における模擬装置の提案A Proposal of Non-Contact Power Transmission Simulation Device
using Relay Transmission Coil for Mobile Vehicles
16425 柴内 真生
指導教員 米盛 弘信
1. 緒言
近年，非接触給電方式を用いた電力供給の開発が盛んである[1]。本方式は，無線給電のため機械的トラブルが少なく，容易かつ安全な給電方法として期待されている。応用分野の 1 つに移動体への給電がある。しかし，移動体へ給電する際に給電効率等が低下する問題が考えられる。本問題を解決するためには，移動体への給電実験を行い，技術的な改善をすることが必須である。
本研究では，数ある送電方式の中から中継コイ
ル方式に着目し，移動体に対する非接触給電を実現する模擬装置の試作・提案を行う。
2. 模擬装置の提案
本研究では，中継コイルを用いた移動体用の非接触給電実験用模擬装置を試作する。図 1 に製作する模擬装置のイメージを示す。DC5～12V を市販されている RF 電源に接続し，中継コイルに RF電力を供給する。模型車両には，受電コイルを車体下部に設置して受電回路に接続し，RF 電力を
DC 電力へ変換してモータへ送電する。本供試装置によって，走行中の給電が模擬できるため，走行中の給電効率等の測定に寄与できる。

図 1 模擬装置のイメージ

3. 実験方法
本実験では，0.08mm の素線を 20 本撚った標準
外径 0.548mm のリッツ線を使用した。510cm に切断し，8 回巻いて送電コイルを製作した。その後，各コイルのインダクタンスを測定した。中継コイル間で共振を得るため，(1)式よりコンデン
サの容量を決定した。このとき f の値は電源回路の実測値より，72.3kHz とした。
1

𝑓 = 2𝜋√𝐿𝐶・・・・(1)

各コイルを接続後，周波数特性分析器を使用して 72.3kHz 時の利得を測定した。受電コイルは，0.6mm のエナメル線を 372cm に切断し 12 回巻きして製作した。受電回路の出力端子に模型車両の電池端子を接続して移動体を製作した。
4. 実験結果
図 2 に本実験で製作した模擬装置の完成形を示す。4 番レール間で移動体の速力が低下したが移動体が模擬装置を一周したことを確認した。

図 2 完成した模擬装置

5. 結言
本稿では，中継コイル方式の非接触給電模擬装
置の試作過程を述べた。本実験で計測した各レールの利得の傾向と各レールにおける電流・電圧に同様の傾向を確認できた。移動体の電流・電圧に関しても 2 番レールで差異があるものの同様の傾向を確認した。これにより，各コイルにおける利得の確保が移動体への給電に重要であるとわかった。
今後はレールと移動体間に異物等を混入させた際，モータに流れる電流や消費電力の変化，およびその対策等を検討する。また現状の模擬装置の送電側は，コイルがむき出しになっており，十分な固定がされていないためもコイルが変形することや，外部からの要因でコイルが破損する恐れがある。そのため，台座を製作してコイルの固定と保護を行う。また，送電コイルの有効電力を改善するためにコンデンサを交換しやすくする必要があるため，モジュール化する予定である。
参考文献
[1]

‐114‐

トランジスタ技術編集部：「初めてのワイヤレス電
力伝送」，RF ワールド No.43，CQ 出版社（2018）2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

熱溶解積層法により造形されたポリ乳酸の機械的特性に及ぼす造形速度と積層方向の影響
Effects of Modeling Rate and Lamination Direction on Mechanical Properties of Poly(lactic acid)
Modeled by Fused Deposition Modeling16427 鈴木翔太
指導教員 坂口雅人
1. 緒 言プラスチックスは加工性や軽量など利点が多
く, 様々な分野で使用されている. しかし, マ
イクロプラスチックスや温暖化などの環境問題に影響を 与えている. そこで, 環境によい生分
解 性 プ ラ ス チ ッ ク で あ る , ポ リ 乳 酸 :PLA
Poly(lacti acid)が注目を集めている[1]. 3D プリン
ターは自由な造形ができ, 開発時間の短縮・コストの削減・効率化など多くの可能性がある[2].
しかし, プレス加工や射出成形と比べると, 強度が低い,少数生産であり, 工場での大量生産には不向きである [3]. また, 高い荷重の付加される部品や高温となる場所での利用が難しく, 使
用範囲が大きく制限されている. FDM 法により造形された PLA は工業的には広く使用されているが, 学術的調査については研究例が少ない.
本 研 究 で は , 熱 溶 解 積 層 : FDM (Fused
Deposition Modeling)3D プリンターを用いて,様々な積層条 件でポリ乳酸の試験片を造形した. そして, 引張試験によって引張強度やポアソン比の影響について調査した. これにより,強度を向上させる条件を明らかにした.
2. 方 法2.1 試験片作成
FDM3D プリンター（Flash forge 社 GuiderⅡ）を 用いて試験片を造形した. 充填率 100%, ノ
ズル 温度 220 ˚C,プラットフォーム温度 60 ˚Cで条件を固定した. 形状は 150 mm×10 mm×4
mm の直方体とした. 本研究では, 1.75 mm のPLA フィラメントを使用した. 本研究では積層方向による影響と, エクス トルーダースピ
ードを変えた影響を見るため, [±45]11 と[0/90]11の試験片を 5 本ずつ, それぞれ 30 mm/s, 60
mm/s, 120 mm/s, 200mm/s で造形した.
2.2 試験方法
引張試験は, タブ及びひずみゲージを接着し,万能試験機(株式会社島津製作所, AGS-1000A)を用いて引張速度 0.5mm/min で引張試験を行った.
今回 PLA 試験片を充填率 100%で造形を行ったが, 造形された試験片の相対密度は不明である. 相対密度を求めるため, アルキメデス法を用いて電子天秤 (株式会社島津製作所,
AUX120)により密度測定を行った.

3. 実験結果と考察試験により得られた応力―ひずみ線図を図 1に示した. 図 1 より[0/90]11 と比較して[±45]11 の方が引張強度は高くなった. [0/90]11 の試験片では, フィラメントの直線距離が長くなり造形にズレが生じたためだと考えられる. [±45]11 では
破断ひずみが増加し,引張軸方向に変形することが分かった.
相対密度は押切成形の PLA 試験片と比較し,60mm/s[±45]11 では 98％, 200mm/s[±45]11 では
91％となった. 以上のことから密度が低くなったため 200mm/s[±45]11 において強度が低下したと考えられる.

図 1 応力―縦ひずみ・横ひずみ線図

4. 結 言FDM3D プリンタ―による PLA 造形物の強度及び造形時間の向上について検討を行った. 引張試験の結果, 全ての試験片で[±45]11 の方が強度は高くなることが分かった. 200mm/s[±45]11の試験片の強度が大きく低下した原因として密度が低いためだと分かった. 以上の結果から,120mm/s で折り返しの回数が少ない方向に造形を行うことで,強度を維持し, 造形時間を短縮できることが分かった.
文 献[1] 日筏義人, “生分解性プラスチックハンドブック”, 土肥義治編集代表, 生分解性プラスチック研究会編, 株
式会社エヌ・ティー・エス, (1995), p1.
[2] 望月政嗣, “ポリ乳酸繊維の特徴と応用-植物から生まれ た 環 境 調 和 型 次 世 代 合 成 繊 維 -”, 繊 消 誌 , 2006,
Vol.47 pp.148-156.
[3]高橋智, 児玉和也‘’3D プリンタ造形物の強度評価と充填構造の設計‘’, 石巻専修大学 研究紀要 , 31 号,(2020), p.9-16.

‐115‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

加熱したポリ乳酸の力学的特性に及ぼす引張速度の影響
Effect of Tensile Rate on Deformation Behavior of Heated Poly(lactic acid)16428 諏訪原 怜斗
指導教員 坂口 雅人

𝑙DR = 𝑙0Maximum Stress [MPa]Deformation Ratio [-]
3.5

25

3
20
2.5
15

2

1.5

10

1

Deformation Ratio [-]2. 方 法2.1 成形方法
成形に使う PLA を 30 g を乾燥炉（AS-ONE製）に入れ, 70 ℃で 7 時間以上絶乾を行う. その後, 金型 110 mm×110 mm に PTFE シートを敷き, 材料を 30ｇ乗せた上にさらに PTFE シート
を敷き蓋をした. ホットプレスを用いて, 材料を入れた金型を 200 ℃まで加熱し 10 分間静置させた. 10 分間の加熱後, 0.4 MPa で 10 分間加圧した. その後, 30 ℃まで水冷し除荷した.
2.2 実験方法
成形した板をラボカッター（株式会社マルトー製）にて 10 mm×110 mm×約 1.5 mm の短冊型に切断し, アルミタブを試験片の上下に接着し試験片を作成した.
アルミタブを接着後, 真空層に入れ, 12 時間
以上真空にて接着剤を硬化させた. その後, 万能試験機(株式会社島津製作所, AGS-1000A)と金型, K 熱電対, カートリッジヒーター, 音度調
節機を用いて 70 ℃で 10 分間熱処理を行った.
その後, 10 mm/min, 50 mm/min, 100 mm/min の3 条件で高温引張試験を行った. 変形比は DR は試験後の長さ l mm と試験前の長さ l0 mm の比で(1)式に示すように定義された.

形比を図１に示す.
今回得られた値では 100 mm/min では 2.6 倍程
度しか延びなかったのに対し, 10 mm/min と 50
mm/min の時が変形比が 3 倍以上になりとても延びることが分かった. また, 最大応力に関しては 10 mm/min の時に比べ 50 mm/min では最大応力が大幅に強度が増加していて速度によって強度に変化が現れることが分かった.
しかし, 金属製のデバイスのステンレス(520MPa)やチタン合金(900MPa)と比べると,本研究結果で得られた強度は低かった.

Maximum Stress [MPa]1. 緒 言現在, 骨折の治療には高い強度を持つステン
レスやチタン合金等の金属製の骨固定デバイスが使用されている. しかし, それら金属製の骨固定デバイスでは骨折治癒後に摘出手術を行うなど, 患者への負担が大きい. その為, 近年注
目されているのが生体吸収性材料である. 生体
吸収性材料であれば体内に埋め込んでも水と二酸化炭素まで分解され吸収されるため摘出が不要である. その中でも本研究で使用するポリ乳酸（PLA）は高い生体親和性を有している.
しかし, 北原等は[1]生体吸収性材料は金属製のデバイスに比べると著しく強度が低い問題点があると報告している.
そこで, 本研究では,PLA 単体で短冊型試験片を作成し, 高温引張試験を行い引張強度などの力学的特性を調査するのを目的とした.

5
0.5

0

0
0

30

60

90

120

Tensile Speed [mm/min]

図１

本実験で得られた応力-時間線図

4. 結 言今回 PLA 単体のフィルムを成形し、試験した.
その結果, 今回は 3 条件で高温引張試験を行ったが金属製のデバイスと比較すると強度が低かった.
5. 今後の予定
今回は PLA 単体を使って試験を行った. しかし, 強度が低かったため今後は温度や複合材料に変えて試験を行い, 強度の差を比較していきたい.
文 献[1] 北原 愛子, 河野 俊一, 専徳 博文他, “延伸加工を施したポリ乳酸材の強度向上”, 日本機械学会講演論
文集, No.075-1, 2007 年 3 月(1)

3. 結 果
高温引張試験によって得られた最大応力と変‐116‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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炭素繊維強化ポリプロピレンにおける熱処理方法の検討
および力学的特性に及ぼす母材結晶化度の影響
Examination of Annearing Method for Carbon Fiber Reinforced Polypropylene
and Effect of Matrix Crystallinity on Mechanical Properties
16429 大黒 元暉
指導教員 坂口 雅人
1. 緒 言近年, 航空機や自動車等の輸送機器において炭
素繊維強化熱硬化性樹脂 (CFRTS：Carbon Fiber
Reinforced Thermosets）が使用されている. CFRP
は輸送機器の軽量化を図ると共に CO2 の排出量の削減を可能とし, 鉄より軽量であり, 高い剛性,
強度, 弾性率を兼ね備えている複合材料である.
現在, 再利用可能な熱可塑性樹脂を母材として成形する, 炭素繊維強化熱可塑性樹脂 (CFRTP：
Carbon Fiber Reinforced Thermo Plastics）の実用化に力を入れられている. CFRTP は CFRTS と比較
すると成形サイクルが短いことや二次加工性が優れている. 坂井（2019）[2]らは, 炭素繊維とポリイ
ミド (PLA）を母材とした CFRTP において, 結晶化が静的曲げ特性を向上したことを報告している.
本研究では, 母材をポリプロピレン (PP)とした
CFRTP (CF/PP）を成形し, 熱処理方法を検討すると共に, 力学的特性及び結晶化度の変化を調査した.
2. 方 法本研究で用いたフィルムスタッキング法は, PP
フィルムと炭素繊維テキスタイル (CF)を交互に挟み込み, 積層構成 [0f]4 の 110 mm ×110 mm の
CF/PP を成形する方法である. 自作のホットプレスを用いて 10 分間 200 °C 静置することで, PP を融解させ, その後 10 分間 2.5 MPa で加圧した. 加
圧後, 57 °C まで水冷して凝固させた. 成形後, 10mm ×100 mm の試験片を切り出し, ホットプレス・電気炉を用いて 3.5 時間, 7 時間, 14 時間熱処理を行った. 熱処理温度は 130 °C とした. 試験片の表面中央部にひずみゲージを接着し, 万能試験機(IMADA 製 MX-500N)を用いて試験速度約 10
mm/min で 3 点曲げ試験を行った. その後, 示差走
査熱量計 (DSC-60)を用いて示差走査熱量分析を行い, 結晶化度測定を行った.
3. 結 果図 1 より, ホットプレスを用いて熱処理を行い,曲げ強度・曲げ弾性率を算出した結果, 熱処理時間が増えるごとに, 曲げ強度・曲げ弾性率が低下する傾向が見られた.
また, 図 2 より, ホットプレスを用いて熱処理をした際に, 熱処理時間を 0 時間 3.5 時間と変化
した時, 結晶化度が増加した. しかし, 熱処理を 7時間とした時, 熱処理時間を 3.5 時間とした時と比較すると, 結晶化度が減少した. 原因は, ホットプレスを用いて熱処理を行う際に, 試験片と加熱上板の間に空間が生じてしまい, 試験片に対して充分に熱処理を施せなかったことと考察する.
図 3 より, 結晶化度が増加すると, 曲げ強度・曲げ弾性率が低下する傾向が見られた.

図 1 熱処理時間と曲げ強度及び曲げ弾性率の関係

図 2 熱処理時間と結晶化度の関係

図 3 曲げ強度及び曲げ弾性率と結晶化度の関係

4. 結 言4 層 CF/PP に熱処理を施し, 熱処理時間を増加させると, 結晶化度が増加し, 曲げ強度・曲げ弾性率が低下した. このことから,CF/PP においては,結晶化度を増加させないことによって曲げ強度・
曲げ弾性率があることが明らかになった.
文 献[1]後藤広夢, 坂口雅人“CF/PLA の力学的特性に及ぼす結晶化度の影響” 日本機械学会, 2019 年度年次大会, 講演
論文集 No. 19-1, J04409P[2]坂井建宜, 福嶋遼太, 蔭山健介“炭素繊維強化ポリアミドの結晶化が静的曲げ特性に及ぼす影響” 日本複合材料学会誌 2019 年 45 巻 6 号, pp.242-250‐117‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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フルカラーLED 調光器における電流条件とスペクトルの関係
Relationship between Electric Current and Emission Spectra for Full Color LED Lamp
16430 田中 謙策
指導教員 黒木 雄一郎
4.結 言
フルカラーLED 調光器における赤、緑、青、それぞれの発光素子に流れる電流値を変化させた時の発光スペクトルを測定した。電流値を詳細に設定し、６４通りのスペクトルをカタログとしてまとめることができた。
SW

２

４

赤

３

３
120[Ω]
１
10[kΩ] （保護抵抗）
SW

２

２

緑

３

３
１ 180[Ω]10[kΩ]（保護抵抗）
SW

２

１

青

３

３
１ 180[Ω]10[kΩ] （保護抵抗）6.42～6.47[V]
図 1 フルカラーLED 調光器の回路図
8000

Blue
15～0[mA]

6000

Emission intensity

1.背 景
フルカラーLED(Light Emitting Diode)は様々な家庭用電気機器、例えばテレビやパソコン、そしてスマートフォンとして既に広く産業応用
されている[1]。近年の白熱電球を上回るような輝度の向上に伴い、省エネ照明としても急速に応用が広がっている[2]。さらに、いくつかの種
類の発光色を組み合わせることでいわゆるトゥ
ルーカラーや自然色を表現できることから、産業機器の光源や植物工場における疑似太陽光源としての応用例も報告されるようになった[3]。
このような背景のもと、私が所属する研究室では多用途な産業用光源のモデルとして「フルカラーLED 調光器」[4]という中学生向けの学習教材を開発した。単に色の確認だけではなく、同時期に開発した簡易小型反射率分光器の光源としても利用可能である。本研究では、赤、緑、
青色それぞれの発光素子を流れる電流値と、調光器から放出される光スペクトルの関係を調査し、カタログとしてまとめることを目的とする。
2.製 作
図１にフルカラーLED 調光器の回路図を示す。赤色 LED に対して、スイッチ、可変抵抗、保護抵抗を直列接続し、過電流対策をしつつ、発光輝度を調整できるように設計されている。
また、青色、緑色 LED に関しても同様の調整機
構が組み込まれ、それぞれが並列に電源に接続されている。
ダンボールを用いて暗箱を作製し、その中にフルカラーLED 調光器と発光スペク
トル測定のためのセンサー（カラーコンパス
PCF、AT システム）を設置した。赤、緑、青LED に流れる電流値をそれぞれ 35~0[mA]、
15~0[mA]、15~0[mA]と設定した。発光スペクト
ル測定の際には、測定ノイズとなり得る外部の光を遮光するため、ダンボールの蓋を閉じ、暗幕を設置した。
3.結 果
一例として赤、緑、青の LED にそれぞれ
35[mA]、15[mA] 、15~0[mA]の電流を流した時に得られた発光スペクトルを図２に示す。青色( 461[nm])、緑色(519 [nm])、赤色(627 [nm])に相当する発光ピークが得られた。また、青色の発光強度が最も強くなった。他の条件においても同様の測定を繰り返し行い、各電流値における発光スペクトルとの関係をまとめた。

4000

Green
15[mA] Red
35[mA]

2000

0
400

600
wavelength/ nm

800

図 2 実験で得られた発光スペクトルの一例
文献[1]あかり未来計画, 環境省よりhttps://ondankataisaku.env.go.jp/coolchoice/akari/archives/1
60707_2.html, 閲覧日：2021.01.07[2] 戸 田 健 司 , 「 LED 用 蛍 光 体 の 現 状 と 課 題 」
Electrochemistry, 79(2011)711-715[3] 擬 似 太 陽 光 照 明 , 壺 坂 電 機 （ 株 ） HP よ り
https://www.tsubosaka.co.jp/, 閲覧日：2021.01.07[4]2019 年度, ひらめき☆ときめきサイエンス「身の回りの色のふしぎ！～フルカラーLED 調光器の製作と光の三原色に関する実験～」‐118‐

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流水を用いて冷却するハイブリッド PV モジュールに関する研究
A Study on the Hybrid PV Module Cooled by Flowing Water
16431 田中 紫苑
指導教員 米盛 弘信
1. 緒言
昨今の日本では，各所で太陽光発電が活用されるようになっており，一般家庭で個人的に利活用する例も見られる。この太陽光発電に用いられる PV モジ
ュールは黒色系であり，特に夏場の表面温度は日射量の関係上，非常に高くなる。PV モジュールは高温になると，発電効率が低下する特徴がある。一方，一
般家庭向けに太陽光を給湯に利用する「太陽熱温水器」が普及している。また，太陽熱温水器と PV モジ
ュールを用いた「光・熱複合ソーラーシステム」も存在する。先行研究では同システムに着目し，輻射熱で高温になる PV モジュールに熱電変換素子を取り付け，反対の面を冷却することにより温度差を得て発電するハイブリッド PV モジュールを提案した。筆者
は，提案したハイブリッド PV モジュールを実際に製作し，諸特性を明らかにすることを研究目的とした。
本稿では，試作した冷却用流水路を組み込んだハ
イブリッド PV モジュールによる熱電変換素子の発電特性を報告する。
2. 実験方法
試作した流水路を用いてハイブリッド PV モジュールの有用性を検証する。図 1 のようにハロゲンラ
ンプの光をハイブリッド PV モジュールへ照射して輻射熱を得て，流水路に流水を流して温度差を発生させる。熱電変換素子は，可変抵抗へ接続して両端電圧と出力電流を観測し，温度差発電における P-V
特性を明らかにする。

の曲線の頂点をみると，2.5V 時が最大点で，その値は212.5mW である。
しかし，
先行研究[1]では温度差 10℃
で最大 218mW の電力が得られているため，改善が必要である。

図 2 供試装置による温度差発電の P-V 特性

4. 考察
実際に流水路と PV モジュールを組み合わせて発電することには成功したが，先行研究で予想した結果か
らは下回る結果となった。原因として，先行研究で実施した温度差確保の構造との違いが考えられる。先行研究では，単一の熱電変換素子にラバーヒータとヒー
トシンクによって温度差を与えていた。しかし，本供試装置では，実物の PV モジュールを高温側として熱電変換素子を設置したため，設置面の平滑性が不均一で伝熱ムラが生じたと考えられる。また，実験環境は温度差ムラを生む屋外であり，気温 6℃と大変低温であったことも原因ではないかと考察する。
5. 結言
本稿では，熱電変換素子を活用したハイブリッド
PV モジュールを提案し，実際に供試装置を試作して実証実験を行った．その結果，温度差発電が可能であることは確認できたが，熱電変換素子への熱伝導効率の改善などの課題が見つかった。本研究では特性改善を目指しているため，これらの問題に取り組み，発電効率の改善に努めたいと考えている。また，流水の流量を可変した際の発電変化量も測定し，より実用的な発電システムの提案へ繋げていく。
参考文献

図 1 ハイブリッド PV モジュールの構造[1]3. 実験結果
図 2 は，供試装置で測定した P-V 特性である。図 2‐119‐片山颯眞，米盛弘信：“熱電発電と太陽光発電を組み合わせたハイブリッド PV モジュールの提案”，平成 31 年度
第 11 回大学コンソーシアム八王子学生発表会 要旨集（2019）

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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GPS 受信機を使用した時刻同期型運動解析システム-遠隔制御型システムの構築Time-Locked Motion Analysis System Using GPS Receivers-Construction of Remote-Control Type System16432 田中来希
指導教員 吉田将司
1. 緒 言動作解析技術は様々な分野で使用され、慣性センサ（一般に加速度センサや角速度センサをまとめて慣性センサと呼ぶ）や力覚センサを歩行運動解析等へ応用した研究が行われている[1]。これらのセンサは陸上競技などでも使用されているが、取得したデータとの時刻の整合性に問題があった。また、これら観測機器が高額である為、中学・高校などではあまり導入されていない。そこで本研究室では被験者に観測装置（加速度センサ・GPS）を装着し、GPS と無線によって被験者の動作を遠隔で認知することが出来る観測システムを構築している。このシステムは詳細なデータの収集は出来ないが、3000m 障害走などの、比較的大きな動作をする
被験者を対象とすれば、被験者の動作傾向が容易に解析できる。昨年度はシステム構成の検討のみ実施されていた[2]。本稿では、このシステ
ムの全体構成を結果及び各装置の製作状況について述べる。
2. 方 法図 1 は、システムの全体図である。測定方法
は以下の通りである。
(1) 離れた場所にある制御装置からシリアル通信で信号を送り、GPS 受信機（u-blox M8U）と加速度センサを装着した走行者に計測開始の合図を送る。
(2) 開始の合図と共にブザーが鳴り計測を開始する。
(3) 制御装置と観測装置は常に通信しており、計測しているデータはリアルタイムで制御装置に送られる。また、計測したデータはテキストファイルに保存される。
(4) ゴールにある検出装置の前を走行者が通過した時、制御装置に計測終了の合図を送信することで計測終了となる。
図 2 は検出装置、制御装置、観測装置のフローチャートを示す。
3. 結 果動作確認実験の結果、観測装置で得たデータと制御装置で取得した開始終了の時間を同期することが出来た。また、安価で簡易的な装置を製作することが出来た。全体のシステム構築が完成したことにより、他のセンサを組み込むことができ運動解析の向上が期待できる。
4. 結 言本研究で構築したシステムは、被験者から得たデータに時刻を付加することで、動作解析をより正確にすることが可能となった。また、本システムの構成は簡易的であり、今後中学・高校などでの導入が可能になると期待できる。
5. 今後の展望
共同研究者が研究している、観測装置とデプ
スカメラを制御局で動かせるようにし、更なる動作解析を目指す。集団を観測できるように観測装置を増やし、制御装置でデータを管理し、一人ひとりのデータをテキストファイルで確認できるようにする。
文 献[1] 太田憲,“計測技術”スポーツアンドヒューマンダイ
ナミクス,(2014)[2]藤井元暉, “競技者の動作解析システムにおける GPS
測位の活用”, サレジオ工業高等専門学校卒業論文(2015)

図 1 システム構成

図 2 各装置のフローチャート‐120‐

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本校を中心とした微気象観測システムの構築
Construction of a Microclimate Observation System Centered on Our School
16433 塚本 悟朗
指導教員 吉田 将司
1. はじめに
近年、夏季の日本における熱中症患者の数が増加傾向にある[1]。この傾向は地球温暖化などの要因によって今後も増加すると考えられる。
熱中症を予防するために現在、WBGT（暑さ指数）を利用することで熱中症危険度を呼びかけている[2]。WBGT は湿度、気温、日射・輻射から算出する値である。この値を算出するために微気象が注目されている。微気象を観測することで WBGT の算出などの様々な研究に役立てることができる。また、先行研究において八王子気象台と本校では雨量や風向などに差異があることがわかった[3]。八王子気象台では雨が降っていても本校では降っていない場合やその逆の場合もある。そこで、八王子気象台から本校の間に複数のノードを設置しセンサネットワー
クを構築することで、八王子気象台-本校間の微気象変化を定量化する。定量的に表すことができれば、より正確な本校の天気変化を遠隔で予測、確認できることが期待できる。
本研究では、
微気象観測ノードを製作、校内に設置しセンサ
ネットワークを構築した。また、製作する微気
象観測ノードに局地的豪雨を検知するシステムを搭載し、遠隔で豪雨か否かを把握できるようにすることを目標とした。
2. 観測システムの概要
図 1 は今年度の微気象観測システムの構成を示す。微気象観測システムはノード、基地局、表示器の 3 種で構成されている。屋外に設置されたノードで得られた値は LoRa モジュールを介して基地局へと送信される。基地局では、ノードから送られたデータを収集し POST 通信を用いてオンラインサーバへと送信される。送信されたデータはスマートフォンやパソコンを表示器として確認できる。今年度のシステムはノードを屋外に設置し、新たに雨力発電機、ソー
ラーパネルを搭載する。雨力発電機は雨の力で発電しノードへ発電電圧を入力する。発電電圧を見ることで雨が降っているかを確認することができる。データは 5 分おきに送信する。雨力発電機の発電電圧が 0.2[V]を超えた回数をカウントし、3 回以上カウントした場合は豪雨と通知する。一般的に豪雨は 1 時間あたり数十[mm]の雨を指す。雨力発電機は、約 0.3[mm]の雨で0.2[V]発電するため 5 分以内に 3 回発電すると0.9[mm]の雨が降ったことになる。1 時間に換算すると 10.8[mm]となるため豪雨であると言える。

3. 観測結果
図 2 は雨力発電機に水をかけていない時(a)、水をかけた時(b)の表示器（スマートフォン）である。図 2(a)より雨量が 0 の時、状況の項目が雨ではないとなっている。図 2(b)より雨量が0.9[mm]以上観測されている時は状況が豪雨となっているため、正常に豪雨の判断ができていると言える。
4. まとめと今後の予定
本研究では、観測した微気象をインターネッ
トを介して確認することができた。また、雨力発電機の発電電圧から豪雨を検知することができた。
今後は、このノードを量産し八王子気象台から本校の間に設置し、センサネットワークを構築することで八王子気象台-本校間の微気象変化を観測できるようにする予定である。

図 1 本システムの概要

(a)

文

(b)
図 2 表示器(スマートフォン)

献[1] 国立環境研究所,熱中症患者の発生状況と今後の予測,
環境儀 No.32(2009)[2] 環境省,熱中症予防情報「暑さ指数（WBGT 値）とは？」(参照 2020 年 1 月)
[3]廣瀬匠海, “学内温熱環境観測システムの検討”, サレ
ジオ工業高等専門学校卒業論文(2019)‐121‐

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独立型交流電池の充放電特性
Charge / Discharge Characteristic of the Standalone Type AC Batteries
16434 津田 浩平
指導教員 米盛 弘信
今後は，周波数を変えた場合の充放電特性や充放電サイクル回数の増大に伴う内部抵抗の変化等について明らかにしていく。
参考文献
[1]

‐122‐

AC Biode 社，HPhttps://www.acbiode.com/home(2020/12/11 閲覧)

図 1 交流電池の充電試験に供した回路

図 2 交流電池の放電試験に供した回路

3Voltage [V]

2

C-B
B-A

1
0
-1

-2
0

30

60

90 120 150
Time [min]

180

210

図 3 交流電池の充電特性

32Voltage [V]1. 緒言
本研究室では，安全性と小型化・高効率化を目指した世界初の独立型交流電池[1](AC Biode 社
製)に関する共同研究を 2020 年から開始した。交流電池は，負極(Anode)と正極(Cathode)の間にBiode という AC Biode 社が独自に開発した両性電極を配置している。同電池は，外部信号によって負極と正極をスイッチで切り替えて交流的に使用する。電池を交流的に使用することは，内部劣化を防ぐ狙いがある。交流電池は，原理が考案されてから日が浅く，実用に向けた具体的な充放電回路や充放電特性が明らかになっていない。
そこで本研究では，交流電池用の充放電回路を提案し，充放電特性について明らかにする。
2. 実験方法
独立型交流電池の充放電は，C(正極)- B(両性極)間と B-A(負極)間を切り替えながら行う必要がある。筆者は，電圧源特性を確保するため，低出力インピーダンスの SEPP(Single Ended PushPull)回路をスイッチング回路に採用した。実験に供する交流電池の容量は 250mAh であり，充電限
界が C-B 間：2.65V，B-A 間：1.55V（C-A 間：
4.2V），放電限界が C-B 間：1.89V，B-A 間：1.11V（C-A 間：3V）である。充放電のスイッチング周
波数は，20Hz とした。図 1 は交流電池の充電回路である。直流電源は，CC を 250ｍA，CV を充電限界電圧に設定する。図 2 は交流電池の放電回路である。本研究ではセメント抵抗 18Ωを使用
し，CR 動作で放電する。また，満充電時と放電
限界時における C-B 間と B-A 間の内部抵抗は，
HIOKI 製のバッテリハイテスタ“BT3563”を使用して測定する。
3. 実験結果
図 3 は充電時の電圧推移である。図 3 をみると緩やかに電圧が上昇していることが確認できる。
C-B 間電圧は 2.251V から 2.534V へ，B-A 間電圧の絶対値は 1.273V から 1.472V に上昇した。図 4
は放電時の電圧推移である。図 4 より，定格通りの 1 時間超で放電限界に達していることがわかった。また，充電前後の内部抵抗を測定したところ，C-B 間が 0.64727Ωから 0.6117Ω，B-A 間が0.6092Ωから 0.5729Ωへ変化した。
4. 結言
本研究では，独立型交流電池の充放電回路を提案し，充放電特性を明らかにした。その結果，
SEPP を応用した充放電回路が交流電池に適していることがわかった。

C-B
B-A

1
0
-1

-2
0

20
図4

40
Time [min]60

交流電池の放電特性

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セルロースナノファイバー/ポリ乳酸複合材料の成形性と力学的特性に及ぼすセルロースナノファイバー含有率の影響
Effect of Cellulose Nano Fiber Content on Formability and Mechanical Properties for
Cellulose Nano Fiber / Poly (lactic acid) Composites
16435 鶴迫 悠太
指導教員 坂口 雅人
1. 緒 言ポリ乳酸 (PLA) は延伸等により強い材料特性を得ることが可能であり[1]，セルロースナノ
ファイバー (CNF) は，植物由来のセルロース
をナノ解繊した材料であり[2]，± 200 °C の間では弾性率が不変となる特性を持つ[3]．近年では，
CNF と PLA を複合させた，CNF/PLA 複合材料の研究が進められている．そこで，PLA を母材とし，
CNF 含有率を変化させた場合の CNF/PLAにおける力学的特性の影響についての調査を目的に研究を行った．本研究では，CNF/PLA を成形し，引張試験による力学的特性の調査及びCNF 含有率の増減による CNF/PLA の特性変化の調査を行った．
2. 方 法2.1 成形方法
 1.75 mm の PLA フィラメントをミルで粉砕した後，乾燥炉で 7 時間以上絶乾させ，CNF と混合し，一軸混練押出機を用いて混練した．こ
こで，CNF 含有率は 0，5，10 mass%とした．
混練した CNF/PLA を再度ミルで粉砕した後，乾燥炉で絶乾，ホットプレスで 200 °C に加熱，5 kN 10 分間の押切加圧成形を行った．また，更なる特性向上を目的として ，CNF 含有率 5mass%時の CNF/PLA を絶乾させた場合に関しても成形を行った．
2.2 引張試験方法
成形した CNF/PLA バルク材を，ラボカッタ
ーを用いて切断，ゲージ抵抗約 120 Ω のひずみゲージを貼り，試験片とした．万能試験機を用いて CNF/PLA の試験片の引張試験を行い，強度と破断ひずみ，弾性率を求めた．
2.3 破面観察方法
試験後の CNF/PLA バルク材破面を，デジタ
ルオシロスコープを用いて観察を行った．
3. 結果と考察
図 1 に成形した CNF/PLA 複合材料の外観写
真，図 2 に CNF 含有率を変化させたときの力学的特性の変化，図 3 に破面の変化を示す．図 1
より，CNF 含有率の増加に伴い成形すると気泡が残った状態で成形されることが判明した．成形時に CNF からガスが発生し，気泡が発生したと考えられる．図 2 より，引張試験の結果，PLA
単体の強度は 62.04 MPa，破断ひずみは 1.86 %

弾性率は 4.39 GPa であったのに対し，CNF の含有率増加に伴い，強度と破断ひずみの減少，及び弾性率の微量減少から，成形時に発生した気泡により強度と破断ひずみ，弾性率が低下したと考えられる．図 3 より破面観察の結果，CNF
含有率増加によって破面表面が粗く，気泡が発生していることが判明し，含有率の変化により，材料内部の構造が変化していることが考えられる．ここで，CNF と PLA を絶乾の有無で比較
すると，バルク材では気泡の増加，力学的特性にも低下が確認されたため，CNF の絶乾によって特性向上が見受けられなかった．

図1

図2

CNF/PLA 複合材料の外観

CNF 含有率変化における力学的特性の変化

図3

CNF 含有率変化における破面の変化

4. 結 言CNF/PLA 複合材料を成形し，引張試験により力学的特性を評価した．
その結果 CNF/PLA は，
CNF 含有率の増加に伴い強度が低下し，弾性率が向上する複合材料であることが判明した．
文 献[1] 辻 秀人，筏 義人，“ポリ乳酸-医療・製剤・環境のために-”，株式会社高分子刊行会(1997)1[2] 白石 浩平，矢野 徹，三田 浩貴他，“木質セルロー
スナノファイバー配合による天然ゴムの物性改善”，
近畿大学次世代基盤技術研究所報告 (2013)43-47[3] 仙波 健，“セルロースナノファイバーとプラスチッ
ク”，成形加工 30 巻 7 号(2018)361-364‐123‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

熱電変換素子を組み合わせた
ハイブリッド PV モジュールの特性改善
Improvement of the Characteristics of Hybrid PV Modulethat Combines Thermoelectric Conversion Elements
16436 安藤 貴之
指導教員 米盛 弘信
1. 緒言
近年，二酸化炭素などの温室効果ガスによる地
球温暖化が問題である。地球温暖化が改善されな
い場合，甚大な被害をもたらす気候変動を引き起こす可能性があり，その影響で地球上の動植物な
どの生態系にも被害が及よぶ懸念がある[1]。すなわち，現代社会はいかに温室効果ガスを抑えエ
ネルギーを生み出せるかが課題といえる。そこで，
太陽光発電を主軸として他の再生可能エネルギ
ーを組み合わせ，世界各所で活用できるハイブリ
ッド発電システムを検討する。
本稿では，ハイブリッド PV モジュールを実現するため，PV モジュールに熱電変換素子を組み合わせた発電システムの特性改善を試みた結果を報告する。
2. 実験方法
図 1 に提案するハイブリッド PV モジュールを示す。提案法は，従来からある PV モジュール本
体の表面に水を散布するのではなく，背面に水路を確保し，水と PV モジュールの温度差を用いて熱電発電を行う。本実験では，ヒートシンク部分
を氷水で冷し，PV モジュールはハロゲン灯を照射して輻射熱を得ることで温度差を確保する。熱電変換素子(40×40×5mm) 8 個を直列に接続し，それぞれにショットキーバリアダイオードを接続
し，バイパス回路を設ける。データロガーに K 型
熱電対を接続し，低温部と高温部にとりつけ，常に 30℃の温度差で追従させる。熱電変換素子の両端を電子負荷装置に接続し，負荷を変化させ際の電力-電流(P-I)特性と電圧-電流(V-I)特性を測定する。

3. 実験結果
図 2 は，熱電変換素子の V-I 特性と P-I 特性である。図 2 より最大電力が 38mW であった。この時の電圧は 1V で電流は 38mA となった。計算
値は，熱電変換素子 1 個につき 130mW 発電可能であるため，8 個で 1.04W となる。しかし，本実
験では 8 個で 38mW と極めて低い発電量になった。そのため，温度差の確保に原因があると推測できる。なぜなら，熱電変換素子は温度差と発電量が比例関係だからである。

図2

熱電変換素子の発電特性

4. 結言
本稿では，ハイブリッド PV モジュールの提案を行い，発電能力を確認した。その結果，熱電変
換素子の接着部を再度考慮する必要があることがわかった。今後は，接着部の再検討，および再実験を行い，計算値通りのデータを得ることを目指す。そして，温度差発電と太陽光発電を同時にした際の発電量を解明する。
参考文献
[1]

気象庁：“地球温暖化の原因”，
http://www.data.jma.go.jp/cpdinfo/chishiki_ondanka/p0
2.html[2]（最終閲覧日 2000 年 10 月 02 日）

児玉速汰，米盛弘信：“小水力発電を組み合わせたハ
イブリッド PV モジュール発電システムの提案”
2020 年（第 38 回）電気設備学会全国大会講演論文集，p.7(2020)[3]

片山颯眞，米盛弘信：“熱電変換素子を活用したハ
イブリッド PV モジュールの提案”，2019 年（第 37

図1回）電気設備学会全国大会講演論文集，p.564 (2019)

ハイブリッド PV モジュールの構造‐124‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

デプスカメラを用いたハードル走の簡易動作解析
Simple Motion Analysis of Hurdle Running Using a Depth Camera
16437 内藤州
指導教員 吉田将司
1. 緒 言近年様々なスポーツにおいてデジタルデバイスを用いた解析が盛んに行われている。しかしそれらの中には、体に大掛かりなセンサーを取り付けるものや、機器の設置にあたり測定場所が制限されてしまうなど、選手に制約を与えてしまうものが多い。また、それらの機器は詳細な解析ができる代わりに非常に高額である[1]。
そこで本研究では市販のデプスカメラを用いた
簡易動作解析方法について検討する。デプスカ
メラを用いた場合、体にセンサー等を取り付ける必要がないことに加え、設置が簡単で場所を選ばず測定可能なため、普段通りの環境での測定が可能である。また、専門の機器や設備に比べ、安価で入手可能なこともあり導入が容易である。本研究では評価可能項目が多く、動作の特徴を捉えやすいことから陸上競技のハードル
種目について検討を行った。
2. 概要
2.1 調査本校陸上競技部ハードル種目の学生に聞き取りを行い、ハードル走での測定可能項目を調査した。結果から以下の 3 項目について測定を行なった。
(a)踏切からハードルまでの距離(b)ハードルから着地までの距離(c)ハードルと足の間隔
2.2 実験方法
デプスカメラは Intel 社の d435i を使用した。
ソフトウェアは Intel 公式の viewer を使用し、ハードルの動作を録画・再生する。踏切の瞬間など任意のタイミングで一時停止し、メジャー
機能で各値を計測する。viewer で録画した動画と測定値が実際の値と異なっていた。
そのため、測定前に実際の距離と画面上の距離から倍率を求め、測定結果の値をその倍率で割ることで実際の値を求めた。本校校庭の陸上競技用助走路にハードル 3 台を 110mH に準じた間隔で設置し、２台目での動作を測定した。カメラは踏切、着地の測定ではハードルの真横、ハードルと足の間隔ではハードルの斜め前に設置した。図 1 は測定の様子を示す。また、ハードルの高さはハードル未経験者でも跳ぶことができるよう一番低く設定した。本研究では前述の学生及び体格の近い本研究室の学生を被験者として前述の 3
項目について比較実験を行なった。測定はそれ
ぞれ 10 回ずつ行い平均値を求めた。

3. 結 果測定項目(a)(b)については映像が不鮮明になってしまい、計測ができなかった。(c)については踵とハードルの間隔、膝とハードルの間隔、
さらにそれらの差分を求めた。差分を求めることで間接的に膝の曲がり具合を定量化することができる。差分が小さいほど、膝の伸びた理想的なフォームであると考えられる[2]。
表 1 は未経験者と選手の踵の間隔、膝の間隔、その差分の平均値、図 2(a) (b)はデプス画像を示す。踵での間隔は両者の値にあまり差がなかったが、膝での間隔と差分では大きな違いが確認された。
4. 結 言安価で容易に導入可能な簡易動作解析システ
ムの検討を目的として市販のデプスカメラを用いたハードル走の動作解析を行なった。その結果、選手はハードルと膝の間隔が狭く、膝と踵の差分も小さくなっていることがわかった。デ
プスカメラでこれらの値を測定することにより、ハードル動作のある要素における上達度を評価できる可能性が示唆された。今後の課題として、測定可能項目を増やす、倍率計算なしでの測定、同じ研究室で開発している運動解析システムに組み込む、などが挙げられる。
文 献[1] 株式会社 DKH HP[2] 小松茂美,「陸上競技」の指導について-ハードル
編-,松本大学研究紀要第 15 号,2017‐125‐

図 1 測定環境の模式図
表 1 各値の平均値
踵との間隔 [cm]
膝との間隔 [cm]
差分 [cm]

図 2(a)

未経験者

未経験者
11.6
32.0
19.3

選手
10.3
13.0
3.4

図 2(b) 選手

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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拡張された減衰調和振動子の正準理論
Canonical Theory of An Extended Damped Harmonic Oscillator
16439 中野 裕紀
指導教員 真島 裕樹
1. 背 景散逸系の最も簡単なモデルの一つである減衰調和振動子の正準理論やその量子化に関する研究は，多くの人々によってなされてきたが，未解明な部分が多い[1,2]．
減衰系を扱う手法の一つに，Bateman の方法がある．この方法では，減衰系の運動方程式を導く
ラグランジアンを用いて，減衰振動子の解析力学について考察する．正準理論は力学系理論にもとづく系の大域的な性質や安定性の議論を可能にし，また正準量子化により，考察する系の量子論を構築することにつながる．
本研究では Bateman ラグランジアンをパラメータ拡張しその性質を解明する．さらに Legendre
変換により，対応するハミルトニアを導き，拡張された Bateman 系の正準理論を構築する．

𝑑 1
1
1
1
{( 𝑚𝑥̇ 2 + 𝑘𝑥 2 ) + ( 𝑚𝑦̇ 2 + 𝑘𝑦 2 )}
𝑑𝑡 2
2
2
2
= −𝛾(𝑥̇ + 𝑦̇ )(𝑥̇ − 𝑦̇ )(6)が成り立つ．これより，一般に力学的エネルギーは保存しないことがわかる．

2. Bateman 系の解析
Bateman ラグランジアンは𝛾
𝐿 = 𝑚𝑥̇ 𝑦̇ + (𝑥𝑦̇ − 𝑦𝑥̇ ) − 𝑘𝑥𝑦(1)2と定義される[1]．ここで 𝑥，𝑦 は位置座標，𝑚 は質量，𝛾 は減衰係数，𝑘 は復元力の強さを表す定数である．ラグランジアン(1)を Euler-Lagrange 方

𝑥̇ = 𝑥 −

𝑑

𝜕𝐿

𝜕𝐿

𝑑

𝜕𝐿

𝜕𝐿

程式 𝑑𝑡 (𝜕𝑥̇ ) − 𝜕𝑥 = 0，𝑑𝑡 (𝜕𝑦̇ ) − 𝜕𝑦 = 0 に代入す
ると，運動方程式が𝑚𝑥̈ + 𝛾𝑥̇ + 𝑘𝑥 = 0(2)
𝑚𝑦̈ − 𝛾𝑦̇ + 𝑘𝑦 = 0(3)のように求められる．それぞれの式の左辺第 2 項の符号より，式(2)が減衰系を，式(3)が増幅系を表すことがわかる．𝑥，𝑦 という二つの自由度は，
Bateman 系が内包する時間反転対称な性質を反映し，これらを合わせて考えることにより，減衰系を一つのラグランジアンで表現できるのであ𝜕𝐿𝜕𝐿る．一般化運動量 𝑝𝑥 = 𝜕𝑥̇ ，𝑝𝑦 = 𝜕𝑦̇ を用いて式(1)の Legendre 変換により系のハミルトニアンを
導くと，
𝑝𝑥 𝑝𝑦
𝛾
𝛾2
𝐻=
+
(𝑝𝑦 𝑦 − 𝑝𝑥 𝑥) + (− 𝑘) 𝑥𝑦 (4)𝑚2𝑚4𝑚となる．式(2)× 𝑦̇ +式(3)× 𝑥̇ を計算すると，𝑑(𝑚𝑥̇ 𝑦̇ + 𝑘𝑥𝑦) = 0(5)𝑑𝑡が得られる．つまり， Bateman 系 の保存量は
𝑚𝑥̇ 𝑦̇ + 𝑘𝑥𝑦であることがわかる．一方，式(2)× 𝑥̇ +式(3)× 𝑦̇ を計算することにより，

3. 拡張された Bateman 系の解析
式(1)の係数が時間に陽に依存する場合，ラグランジアンは次のように拡張される：
𝐿(𝑡) = 𝐴(𝑡)𝑥̇ 𝑦̇ + 𝐵(𝑡)(𝑥𝑦̇ − 𝑦𝑥̇ ) + 𝐶(𝑡)𝑥𝑦. (7)
このラグランジアンから導かれる運動方程式は，
𝐴𝑥̈ + (𝐴̇ + 2𝐵)𝑥̇ + (𝐵̇ − 𝐶)𝑥 = 0 (8)𝐴𝑦̈ + (𝐴̇ − 2𝐵)𝑦̇ + (−𝐵̇ − 𝐶)𝑦 = 0 (9)である．ハミルトニアンは𝑝𝑥 𝑝𝑦 𝐵
𝐵2
𝐻=
+ (𝑦𝑝𝑦 − 𝑥𝑝𝑥 ) − ( + 𝐶) 𝑥𝑦 (10)𝐴𝐴
𝐴となる．また，正準方程式は
𝑝

𝐴

𝑝

𝐵𝑥

𝐵𝑦

𝐵𝑝

𝐵2

，𝑦̇ = 𝐴𝑦 + 𝐴 ，𝑝̇𝑥 = 𝐴 𝑥 + { 𝐴 +𝐴𝐶} 𝑦，𝑝̇ 𝑦 = −

𝐵𝑝𝑦
𝐴

𝐵2

+{

𝐴

+ 𝐶} 𝑥 となる．式(5)に対応する関係は𝑑(𝐴𝑥̇ 𝑦̇ − 𝐶𝑥𝑦)𝑑𝑡
= −𝐴̇𝑥̇ 𝑦̇ − 𝐵̇(𝑥𝑦̇ − 𝑥̇ 𝑦) − 𝐶̇ 𝑥𝑦(11)となり，同等の量は保存しないことがわかる．力学的エネルギーに相当する量の変化は
𝑑 1 2 1 2
1
1[( 𝐴𝑥̇ + 𝐶𝑥 ) + ( 𝐴𝑦̇ 2 + 𝐶𝑦 2 )]
𝑑𝑡 2
2
2
2
1
2
2
= − 𝐴̇(𝑥̇ + 𝑦̇ ) − 2𝐵(𝑥̇ + 𝑦̇ )(𝑥̇ − 𝑦̇ )21
−𝐵̇(𝑥𝑥̇ − 𝑦𝑦̇ ) − 𝐶̇ (𝑥 2 + 𝑦 2 ) (12)2となる．式(11)，(12)より，力学的エネルギー等の時間的な変動は，減衰の効果を表す 𝐵 のみならず，慣性および復元の効果を表す 𝐴，𝐶 の変化からも影響を受けることがわかる．
4. 結 論本研究では，パラメータ拡張された Bateman 系の解析により，保存量および力学的エネルギーの表現を求めた．その結果，ハミルトニアンおよび正準方程式の表現が得られた．また，従来のBateman 系における保存量と力学的エネルギーに相当する量の時間変化を求め，パラメータ依存性を明らかにした．
文

献[1] H. Bateman, Phys. Rev. 38, 815 (1931).
[2] A. Suzuki, H. Majima, J. Mod. Phys., 2329, (2016).

‐126‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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分子・結晶構造立体視システムにおける要素技術の検討
A Study on Elemental Technologies
of Stereoscopic Molecule/Crystal Structure Visualizing System
16440 中村 翔
指導教員 黒木 雄一郎
1.緒 言
近年、立体視システムとして仮想現実 (Virtual
Reality：VR)技術の進歩が目覚ましい。VR 技術を用いることで、自分自身がいる空間とは別の空間にある物体や景色などを実際に自分が体験しているように感じることができる。また、センサー
グローブの着用により仮想空間内に存在する物
体（オブジェクト）を操作することも可能である。
従来、この技術は、ゲームなどの娯楽への展開が中心であったが、建築や組み立て工場などの産業界における現場や、創薬での分子の結合や分子構造の可視化など、幅広い分野での活用が期待されるようになった[1]。私は、分子・結晶構造の可視化に適した立体視システムが、研究分野のみならず、教育現場における学習内容の理解を促すツールとしても有効であると考えた。そこで、本研究では、①立体視の一例としてホログラムによる立体視システム、②VR 環境における立体視システ
ム、について調査を行うこととした。これらの双方において、メリット及びデメリットを明らかにし、また改良点を見出すことで分子・結晶構造の立体視システムに必要な基礎技術を開発することを目的とする。
2.方 法①ホログラムを用いた立体システム
既存の報告[2]を元にアクリルを用いたホログ
ラム立体視システムを構築する。4 面に立体的に展開したアクリル板に対して、下面に設置したス
マートフォンやタブレット PC の画像を投影し、立体像を得る。
②VR ゴーグルを用いた立体視システム
まず、ダンボールを用いて VR ゴーグルの模型を製作する。この模型を用いて、立体視における要素技術を洗い出し、問題点を明らかにする。さらに 3DCAD を用いて独自の VR ゴーグルを設計し、3D プリンターにて出力する。出力した VR ゴーグルの機能を評価する。
3.結 果
図 1 にアクリル板を用いて製作したホログラ
ム投影器とそこに映し出された画像を示す。このシステムでは、一見、図 1 のように立体画像（ここでは人形のキャラクター）が表示されているが、回転などの操作を行っても側面は投影されないことがわかった。次に VR ゴーグルの試作品をダ

ンボールで製作した。この試作により、「レンズの有無」「レンズと眼球の距離」「額形状との無理のない接触」などの点で改良が可能であることを見出した。上記の改良点を盛り込んで、独自に設計し、3D プリンターにて出力した VR ゴーグルを図 2 に示す。結晶構造可視化ソフトを用いてVR による MgO の構造を可視化した画像を図 3に示す。

図 1 ホログラム投影機

図2c

VR ゴーグル

c
b
a

b
a

VESTA による酸化マグネシウム

Protein VR による酸化マグネシウム

の結晶構造

の結晶構造

図 3 結晶構造可視化ソフトによる MgO

4.結 言
ホログラムおよび VR ゴーグルを用いた立体視システムの検討を行った。アクリル板を利用したホログラムは言わば「疑似立体表示」であり、今回の目的には適さないことがわかった。また
3D プリンターで出力した VR ゴーグルにより、結晶構造を立体表示することに成功した。
文 献[1] 坂本亘,関嶋政和,“Mixed Reality を用いたタンパク質
構造描画システムの開発”,情報処理学会第 79 回全国大会(2017)7ZB-05[2] 吉田駿,謝淳,宍戸英彦, “実在感の向上を目的とした空中像と床面像の同時投影方式”,第 23 回日本バーチャルリ
アリティー学会大会論文集(2018)14D-3‐127‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

小・中規模分子動力学シミュレーションにおける並列化計算効率の検討
A Study on Parallel Computing Efficiency in Small- to Medium-Scale Molecular Dynamics Simulations
16441 畑 恒輝
指導教員 黒木 雄一郎

40

計算時間[sec]

30

20

10

0
0

図1

10

20
コア数[個]

30

4000 粒子の分子動力学計算における計算時間とコア数の関係
25000
20000

計算時間[sec]

1. 背 景分子動力学シミュレーションは、分子を構成す
る原子の動きを観察し、物質にどのような特性があるのかを調べることができる。しかし個人使用のパソコンで実用的な計算を行おうとしても計算時間やメモリ量の点で現実的では無い。研究室で所有するレベルでの小・中規模計算サーバーでは、個人所有のパソコンよりも大きな計算資源が用意されているものの、効率的な運用のためにはメモリ割り当てや並列化の条件を適切に設定する必要がある[1]。本研究では、CPU コア数と並列計算時間の関係を明らかにし、PC-小規模-中規模計算機における計算資源の有効利用の指針を得ることを目的とする。
2. 方 法
本研究では、分子動力学シミュレーションとして 、 Lammps (Large-scale Atomic/Molecular
Massively Parallel Simulator)[2]を用いた。さらに、一つのタスクを複数の CPU に割り振る MPI(Message Passing Interface) を用いた並列化を行った。レナード・ジョーンズ型のファンデルワー
ルスエネルギーを考慮した仮想粒子に、初速度を与えた際の融解シミュレーションを行った。コア
数、計算ステップ、粒子数を様々に変化させた場
合の計算時間を測定し、各条件での時間効率を評価した。
3. 結 果結果の一例として、図 1 に 4000 粒子における10000 ステップでの計算時間とコア数の関係を、
図 2 に 2048000 粒子の場合の結果を示す。計算時
間はコア数の増加に伴い反比例して減少していくと予想していた。ところが、実際は 2 コアでは
6 割、3 コアでは 4 割、4 コアでは 3 割程度の時間で計算され、32 コアの時には１コア時の１割程度の時間であった。図 1 と図２を比較すると、4000 粒子よりも 2048000 粒子の場合に、コア数の増加により計算時間が大きく短縮された。また、
奇数コアの場合には、偶数コアよりも計算時間が増加する傾向が見られた。これは、粒子数が奇数ではなかっため、各コアへの計算割り当ての際に、割り切れずコア間の通信に時間がかかったためだと考察した。

15000
10000
5000

0

図2

0

10

20
コア数[個]

30

2048000 粒子の分子動力学計算における計算時間とコア数の関係

4. 結 論本研究では、CPU コア数と並列計算時間の関係を明らかにし、PC-小規模-中規模計算機における計算資源の有効利用の指針を得ることを目的とし、計算時間の計測を行なった。コア数と計算時間は反比例になると予測していたが、実際は予測よりも常に長時間であった。シミュレーションを行う際に計算量の大きさに応じて計算の並列化を行うことによって、計算資源の効率的な運用が可能であることが示された。
文 献[1] 小久保達信、長岡伸一、寺前祐之“超高速クラスタ型
並列計算機(京)を用いた汎用分子動力学プログラム
LAMMPS の高速化” Journal of Computer Chemistry,
Japan,18,169(2019)[2] LAMMPS Molecular Dynamics Simulator
https://lammps.sandia.gov/index.html‐128‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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廃炉創造ロボコンのロボット開発(システム)
Development of Robot for Decommissioning Robot Contest (System Development)
16443 樋口 元輝
指導教員 冨田 雅史
1.はじめに
第 1 回廃炉ロボコンは 2016 年の 12 月に行われ、今年で第 5 回目の開催となる。廃炉ロボコンは日本原子力研究開発機構と廃止措置人材育成高専等連携協議会が主催する大会である。学生たちがロボット製作を通じて廃炉に興味を持ち、創造性を発揮して課題解決能力や課題発見能力を養っていくことが目的である。
本研究室では昨年から参加を始め、今年も書類選考を通過し参加することとなった。本研究では開発したシステムについて報告する。
2.競技概要
競技では原子力発電所の廃炉から燃料デブリの回収を想定する。ペダスタルを想定したフィー
ルドで競技を行う。ロボットと操縦者の間は離れており、ロボットを直視できない。無線通信の使用はできないため、有線で遠隔操作を行う必要がある。オペレーションエリアから塩ビパイプ(外径 250[mm] 長さ 4000［mm］)を通りペダスタル
内部へアクセスをし、ペダスタル内部のプラット
フォームから 3.2[m]下にある燃料デブリを回収、
燃料デブリをペダスタル外部へ運搬し、オペレー
ションエリアに持ち帰るのが競技課題である。

クレーンには落下防止用にアンカーが取り付
けられている。子機による誘導後、グレーチングの溝にアンカーを引っ掛けて自身を床に固定する。子機の昇降には滑車を用いた。クレーンの性能は子機を約 14 秒で降ろし、約 1 分で引き上げることができる。

（a）子機（b）クレーン
図 2 製作したロボット

図 1 競技イメージ図

3.ロボットの仕様
図 2 は製作したロボットである。ロボットは子機とクレーンの 2 機構成とし、クレーンには駆動を積まず、子機がクレーンを先導していく仕様とした。子機はグレーチングの溝にはまらないようにキャタピラを採用した。キャタピラを二つ並べるために 3D プリンターで起動輪を製作した。デブリは背についているモーターで前方の蓋を駆動して開き、子機内部のゴムで閉じて回収する。

4.終わりに
今年の廃炉創造ロボコンは新型コロナウィル
スの影響でビデオ審査となった。それにともない競技のルールも変更となった。このルール変更により競技フィールドを作成し撮影を行った。競技では唯一子機を床下からグレーチング上まで引き上げることが成功できなかった。これは子機を引き上げる際にクレーンのベルトがグレーチン
グの淵で擦れてしまったからである。この問題はクレーンのアームを伸縮する機構を追加し、子機の昇降位置を調整が行えるようにすれば解決できると考えられる。
文献[1] 廃止措置人材育成高専等連携協議会“第 5 回廃炉創造‐129‐

ロボコン実施要項”

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

平織炭素繊維強化ポリプロピレン (CF/PP) の曲げ特性に及ぼす大気圧プラズマ処理時間の影響
Effect of Atmospheric Pressure Plasma Treatment Timeon Bending Properties of Plain Weave Carbon Fiber Reinforced Polypropylene
16444 福地遼太郎
指導教員 坂口雅人
1. 緒 言世界では地球温暖化という問題がある．原因として自動車の CO₂の排出などがある．排出を削減するために車体を軽量化し燃費の向上ができると考えた．車体には軽量化のために炭素繊
維 (CF) にプラスチックを複合させた炭素繊維
強化プラスチック (CFRP) の適用が拡大している．自動車には熱硬化性樹脂が多く使用されているため，リサイクル性に優れた熱可塑性樹脂に置き換えた．熱可塑性樹脂であるポリプロ
ピレン (PP) を複合した炭素繊維強化ポリプロ
ピレン (CF/PP) に着目した．しかし PP は接着性が悪いため，異種材料同士の接着に優れている大気圧プラズマ処理を行った．CF/PP にプラ
ズマ処理を行った研究はすでに奥村らなどが行っている[1]．そのため新規性として CF にのみプ
ラズマ処理を行った CF/PP に着目した．さらにプラズマ処理時間を変化させ，曲げ強度を比較した．
本研究では大気圧プラズマ処理時間が 0，10，
20，40 秒の CF/PP の曲げ強度を比較し，曲げ強度が向上するのかを調べる研究である．
2. 方 法平織りの CF (東レ製，T300-3000) を繊維に沿って 110 mm×110 mm の寸法に切り出した．
プラズマ照射装置に CF を固定し，アルゴンと酸素の圧力を 0.3 MPa, 流量をそれぞれ 5
L/min，500 mL/min, 印加電圧 100 V，転送台の速さを 0.8 m/min に設定した．プラズマ照射時間を計算し，CF を固定した転送台を往復させた．
PP (日本ポリプロ製, ノヴァテック PP) をホ
ットプレスでフィルム状に成形した．
組んだ金型に CF と PP を交互に重ね，200 ℃まで静置させ，2.5 MPa で 10 分間加圧させた．
57 ℃まで加圧したまま水冷し取り出す．成形した CF/PP の積層構成は[0f]4 とした．
成形した CF/PP を 13 mm/min の速さで三点曲げ試験した．
3. 結 果プラズマ処理時間を 0，10，20，40 秒と変化させた CF/PP の応力-ひずみ線図を図 1 に示す．
プラズマ処理時間が 0，20 秒の CF/PP を曲げ試
験し曲がった部分の端面を観察した画像を図 2に示す．

図 1 より大気圧プラズマ処理時間が 0，10，
20 秒となるにつれて曲げ強度が向上しているが，40 秒だと曲げ強度が減少した．
図 2 よりプラズマ処理した CF/PP は未処理のCF/PP よりも樹脂が付着していた．考察として
大気圧プラズマ処理により CF の繊維を束ねているサイジング剤が除去され，CF と PP の接着性が向上した[1]．また電子が当たったことで CFの表面粗さが増大し接着性が向上した[2]．プラ
ズマ処理時間が長いと，繊維を傷つけて曲げ強度が減少した[1]．

図1

CF/PP の応力-ひずみ線図(a) 0 秒(b) 20 秒
図2

CF/PP の端面

4. 結 言CF に大気圧プラズマ処理を行い CF/PP を成形すると曲げ強度が向上した．またプラズマ処
理時間を長くすると，曲げ強度が減少した．
文 献[1] 奥村拓己，田中基嗣，大澤直樹，北川智隆，小野寺美穂，永野知也，折戸雅俊，金崎真人，斎藤博嗣，大澤敏．“CF および PP に対する大気圧プラズマ処理電力・処理時間が CF/PP 複合材料界面の接着性に及ぼす影響”．日本機械学会北陸信越支部第 53 期総会講演
会講演論文集．p. 803-807[2] 名倉あずさ，富永雄一，今井祐介，堀田裕二，伊藤美智子，高島成剛．“プラズマ処理による炭素繊維‐ポ
リプロピレン樹脂界面の密着性向上とその経時変化”．
成形加工 第 30 巻 第 9 号．p.475-478‐130‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

Raspberry Pi を活用した遠隔授業の音声認識システムの研究
Research on the Speech Recognition System for Remote Class Using Raspberry Pi
16447 古澤 太清
指導教員 三輪 賢一郎
1. はじめに昨今の新型コロナウイルス流行によって，大学等の教育機関において遠隔授業が本格化している．その遠隔授業をより効果的なものにするための方策として，音声認識技術を用いて講義動画からテキスト情報を抽出したり，さらには字幕を付与したりすることが研究されてきている[1][2].
しかしながらこれらのシステムは比較的大がかりなシステムであり，自宅での学習支援のツールとして全学生に貸与したりすることは難しい．そこで、本研究においては，可搬性や経済性に優れた小型の計算機である Raspberry Pi に音声認識シ
ステムを実装し，Raspberry Pi 上で講義音声から音声認識によりテキストを抽出することを検討する．これにより，小型軽量で使い勝手のよい音
声認識システムを構築することを狙う．
2. システム概要
本研究で用いる音声認識エンジンとしては，限られたハードウェアリソースでも動作が可能で，かつフリーソフトである Julius を採用した[3]．ただし
Julius には Raspberry Pi 用のバイナリファイルは用意されていないため，Raspbian OS 上に Julius のソースをコンパイルして実装した．また，音声認識に必要な音響モデル，発音辞書，及び言語モデルについては，Julius のディクテーションキットに同梱されているもの（『現代日本語書き言葉均衡コーパス』(BCCWJ)を利用した言語モデルを含む）を用いた．
3. 実験計画
認識精度の評価指標としては，音声認識結果の文字認識率で評価を行う． 評価指標としては，文字数をモーラ（拍）単位でカウントし，下記の式により算出した文字認識率を用いる．
文字認識率＝
正解文字数 − 誤挿入文字数 − 誤削除文字数 − 誤置換文字数
正解文字数

評価実験は，次の３段階にて実施する．
(１) ディクテーションキットに同梱されている発音辞書（64,274 語）を用いて講義素材の音声認識を実行し，認識精度の評価を行う．
(２) 認識精度を向上させるために，講義内で出現すると考えられる専門用語（519 単語）を発音辞
書に追加した上で講義素材の音声認識を実行
し，認識精度の評価を行う．
(３) 提案法の絶対的な認識精度を確認するために，YouTube の字幕機能を用いて同じ講義素材の音声認識を実行し，提案法との認識精度の比較評価を行う．
4. 評価結果
2020 年度に本校機械電子工学科で開講された講義の中から，3 年生の「通信工学」（以降「講義素材 A」）ならびに 5 年生の「電気通信法規」（以降「講義素材 B」）の 2 科目を対象とした．
いずれも同じ男性教員によるものである。
図 1 には講義素材 A，B それぞれにおいて，デフォルトの状態の発音辞書を使用した場合の認識率と，発音辞書に専門用語を追加後の認識率，並びに YouTube の字幕機能による認識率を示す．
結果から，Julius においては専門用語の辞書登録を行うことで，それぞれ認識率が 6～13%向上することが見て取れる。一方で Julius はいずれの場
合も，YouTube による認識率には遠く及ばない実
態も浮き彫りとなった．
［%］

図 1.

認識率の比較

5. 結論
小型軽量で使い勝手のよい講義用の音声認識システムを構築し，それぞれの科目に対応した専門用語の追加をすることで認識率を 10％前後向上可能であることを明らかにした．ただし現状では，YouTube の認識率（90%台）と比べて，精度に大きな隔たりがあることも明らかとなった．
今後，本システムを実用レベルの認識精度に近づけるためには，音響モデルの変更のほか，新たに別なアプローチも検討する必要がある．
文 献
[1]

[2]

[3]

‐131‐

河原達也，秋田祐哉，広瀬洋子，”自動音声認識を用いた放送大学のオンライン授業に対する字幕
付与，”情報処理学会研究報告，Vol．2016-AAC2，No．5，2016 年 12 月
須藤克仁，林輝明，西村優汰，中村哲，”授業アーカイブの翻訳字幕自動作成システムの試作，”情報処理学会研究報告，2019-NL-240(15)，pp．1-4，2019 年 6 月
汎用大語彙連続音声認識エンジン Julius プロジェク
ト Web サイト（https://julius．osdn．jp/）

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

重心移動が剛体倒立振子の減衰に与える影響
Effect of Center of Mass Shift on Damping of A Rigid Inverted Pendulum
16449 皆川 海斗
指導教員 真島 裕樹
1. はじめに
精密機器，情報通信機器，自動車，航空・宇宙構造物等の性能向上に伴い、振動の軽減や制御がこれらの機器や構造物の設計において重要な課題となっている．
これらの制御系において，試験的ベンチマー
クの役割を果たしているモデルとして倒立振子がある．不安定性を示すモデルの代表である倒立振子の制御には、倒立振子を乗せた台車の移動によるフィードバック制御が良く用いられる．もう一つの制御方法として，振子の支点を上下に変動させる方法がある．
本研究では後者の方法に着目し，重心移動による剛体倒立振子の安定性について議論する．

3. 結果
減衰剛体倒立振子の微小振動に対する運動方
程式の一般解は，
𝜃(𝑡) = 𝑒 −𝛼𝑡 (𝐴 cos 𝜔𝑡 + 𝐵 sin 𝜔𝑡)(6)となる．ここで√4𝐼𝑘𝑎2 − 4𝐼𝑚𝑔𝑙𝑐 − 𝛾 2 𝑙 4
𝜔=
(7)
2𝐼
2
𝛾𝑙
は角振動数，𝛼 = 2𝐼 は減衰因子，また 𝐴，𝐵 は

2. 剛体倒立振子の運動方程式
ダンパー（あるいは摩擦や空気抵抗）がない場
合，バネを付けた剛体倒立振子に対するラグラン
ジアンは
1
1ℒ = 𝐼𝜃̇ 2 − 𝑘(𝑎 sin 𝜃)2 − 𝑚𝑔𝑙𝑐 cos 𝜃 (1)22で与えられる．ここで，剛体の質量を 𝑚 ，振れ
角を 𝜃 ，剛体の長さを 𝑙 ，支点から重心までの長さを 𝑙𝑐 ，支点からバネ接続点までの長さを 𝑎，
バネ定数を 𝑘，慣性モーメントを 𝐼 とした．微小振動（𝜃 ≪ 1）を仮定し，𝜃 の 2 次までで近似すると，式(1)のラグランジアンは
11𝑙𝑐ℒ = 𝐼𝜃̇ 2 − 𝑘𝑎2 𝜃 2 + 𝑚𝑔 𝜃 2 − 𝑚𝑔𝑙𝑐 (2)222となる．ダンパーからの影響をラグランジアンに取り込むことは一般に難しい問題をはらんでいるため，以下の散逸関数 𝐷 を用いる方法がよく採用される．減衰係数を 𝛾 とすると，散逸関数
𝐷 は
1
𝐷 = 𝛾𝑙 2 𝜃̇ 2
(3)2と定義される．散逸関数が存在する場合，ラグラ
ンジアンから運動方程式を導くラグランジュ方
程式は𝑑 𝜕ℒ 𝜕𝐷 𝜕ℒ+=(4)
𝑑𝑡 𝜕𝜃̇ 𝜕𝜃̇ 𝜕𝜃
となる．式(2)，(3)を式(4)のラグランジュ方程式に代入すると，運動方程式が𝐼𝜃̈ + 𝛾ℓ2 𝜃̇ + (𝑘𝑎2 − 𝑚𝑔𝑙𝑐 )𝜃 = 0(5)と得られる．式(5)の解を求め，重心移動による減衰剛体倒立振子の振舞いを解析する．

未知定数である．ここで，初期条件として 𝑡 = 0
で 𝜃 = 0，𝜃̇ = 𝑢 とすると，𝑢𝜃(𝑡) = 𝑒 −𝛼𝑡 sin 𝜔𝑡(8)𝜔が得られる．以下では剛体の密度を変化させた場
合の角度 𝜃 の振舞いを調べる．未知定数を𝑏，支点からの長さを 𝑥 とすると，密度が一様な場合
𝑚𝑚（𝜌 = ），慣性モーメントは 𝐼 = 𝑙 2 ，重心は𝑙𝑙3ℓc = ，重心が高い場合（𝜌 = 𝑏𝑥）は 𝐼 =
2

2

𝑚 2
𝑙 ，重
2

心は ℓc = 3 𝑙，重心が低い場合（𝜌 = 𝑏𝑙 − 𝑏𝑥）は𝑚𝑙

𝐼 = 6 𝑙 2，重心は ℓc = 3 となる．これらの値を式(8)に代入した場合の 𝜃(𝑡)の時間変化を図 1 に示す．

図 1 減衰剛体倒立振子の振舞いグラフから，重心が低いほど振動の減衰が大き
く，また振幅も抑制されることがわかる．
4. 結 言本研究では，任意の慣性モーメントを持つ剛体倒立振子の微小振動を考え，その安定性を解析した．その結果，密度分布が異なる場合，重心が低いほど振り子が安定することを確認した．
文

献[1] 入江敏博，小林幸徳 “機械振動学通論”，朝倉書店，（2006）‐132‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

解析的シミュレーションにおける模型周りの流れの可視化
Visualization of flow around a model in analytical simulation
16450 向谷 美優
指導教員 廣瀬 裕介
1. 背 景水や空気の流れは実際に観察することは難しい。そのため、水には色を付けたり、空気には特殊な粉末を入れることによって流れは観察されてきた。そのような実験は、大きい設備や事前の準備が多くなるだけではなく、周囲温度や気圧により変化してしまうことから再現性の低い実験となってしまうことが問題点としてあげられている。そのため、本実験では OpenFOAMというシミュレーションツールを使用し、流体のシミュレーションの実施を計画した。また、OpenFOAM の解析環境の構築から実施した。具
体的には模型の周りや内部の流れを見ることを目的としており、最終的には実験との比較も検討している。本稿では、翼周りの流れを解析し、その結果を示すことを目的とした。
2. 解 析 方 法
解析前に FreeCAD を使用した翼の設計を行う。翼型の作成には NACA の翼型の stl ファイ
ルが作成できる WEB サイトの「NACA 翼型三次元モデル生成概要-計算工学ナビ」を利用する[3]。境界条件はウェブベースの OpenFOAM 用
プリプロセッサーを使用する[4]。OpenFOAM 用の解析設定データ(境界条件)を設定・作成し、シミュレーションツールの OpenFOAM を使用
してシミュレーションを実行した。なお、図 1
は翼の寸法、図 2 は解析対象の概要である。表1 には境界条件を示す。

図 1 翼の寸法

図 2 解析対象の概要

表 1 境界条件

流れ
流体
密度

定常流
空気
1.293[g/cm3]

流入
流出
周りの壁

10[m/s]自然流出
すべり壁

3. 結 果図 3 は上から 0°,12°,21°の圧力と流速の結果を示す。図 3(a)圧力より、高い圧力は赤色、
低い圧力は青色で示されていることがわかる。
また角度が大きくなるにつれて翼の上部と下部の圧力に差ができていた。図 3(b)流速より、角度が大きくなるにつれて翼の上部と下部の流速に差ができている。また、翼の後方に揺れが生じているのがわかる。

(a)圧力

(b)流速
(上から 0°,12°,21°)
図 3 圧力と流速の解析結果

4. 結 論翼周りの流れについてのシミュレーションに成功した。その結果として、翼の上部と下部を比較して上部は圧力が低く流速は速く、下部は圧力が高く流速は遅くなる結果が得られた。しかし、実験との比較を実現することはできなかった。
5. 今後の予定
本研究では流速が遅い流れのシミュレーショ
ンをしているため、今後は超音速や乱流、温度が関わる流れについてのシミュレーションをしたいと考えている。また、実験との比較をしていきたいと考えている。
文 献[1] 春日裕，今野雅 “OpenFOAM による熱移動と流れの数値解析”,(2016)[2] 林真 “はじめての ParaView”，(2014)[3] NACA 翼型三次元モデル生成概要 - 計算工学ナビ（http://www.cenav.org/wing_conv/）[4] XSim（http://xsim.work）‐133‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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電磁加速を用いたバリスティックレンジの開発
A Development of a Ballistic Range Using Electromagnetic Acceleration
16451 森田 迅亮
指導教員 廣瀬 裕介
1. 緒 言近年，先進国において宇宙開発事業の発展は著しく，年間約 100 本ものロケットが打ち上げられている[1]．しかし，それらのロケットは一本あたりに約 110 トンもの燃料を消費していることから[2]，環境破壊に繋がっていると考えられる．この問題を解決するために，電磁加速を用いたバリスティックレンジ（以降 EML）による射出方法を提案した．EML はローレンツ力を用いて飛翔体を射出する装置である．本研究ではロケットの発射に用いるための EML の設計
及び開発を最終目的としている．本稿ではその前段階として小型 EML 及び制御部の製作を行う．
2. 小型 EML の製作
Fig.1 は本研究で製作した EML の概略図である．レール長さは 2m であり，その隙間は 10mmである．レール材質はアルミ合金では比較的抵抗率の低い A6063-T5 を採用しており，エネル
ギーの損失を防いでいる．

Fig.1 Outline of EML

50

39
11k

11k
100μF

100nF

100nF
300V

2.2

2.2
24V

1

3V

Fig.3 Control Circuit Diagram

3. 制御部の製作
Fig2 は制御部の実体配線図を示している．本制御回路では 300V の電圧，蓄電部であるコンデンサからの電流の流出量は瞬間的な時間で考えると無限大であるため，取り扱う際は十分に気を付けなければならない．よって回路を配線する際，許容電流の大きい電線を使う必要がある． Fig.3 に本研究にて製作した制御回路図を示す．Fig.3 より，この回路は 1 つのスイッチにより，射出部，蓄電部を操作できるよう設計を行った．はじめに，蓄電部であるコンデンサに直流安定化電源から供給される 300V を流し，充電が完了次第，供給を止める．このとき，空気圧を放出する電磁弁の電源装置も ON にしておく．サイリスタ (SCR)の構造として，基本的にアノード-カソード間は電流を通さない作りになっているがゲートに微弱な電気信号を与えることにより，アノード-カソード間が導通する．この特性から，電荷がたまったコンデン
サに接続されているサイリスタのゲートに 3Vの電圧を与えることにより，電磁弁の空気と電荷が一気に放出されるようになっている．
4. 結 言本研究では，ロケットの発射に用いるための
EML の設計及び開発を最終目的として，小型EML 及び制御部の製作を行った．
文 献[1]宇宙技術開発株式会社．ロケット打ち上げ情報予定計
画と結果.
https://www.sed.co.jp/tokusyu/rocket_2019.html

Fig.2 Actual Diagram[2]宇宙航空研究開発機構．宇宙情報センター．
http://spaceinfo.jaxa.jp/ja/solid_liquid_rockets.html‐134‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

気温や体調変化によるバイタルサインの変化の研究
Study of Changes in Vital Signs due to Changes in Air Temperature and Physical Condition
16452 山川 和輝
指導教員 冨田 雅史
1. はじめに
近年、生活の質向上について議論されるようになって久しい。生活の質には人のストレスも大きな要因であると考える。もし、ストレスを可視化(数値化)できればそれをコントロールするきっかけになり、最終的に質向上の一助になるのではないかと推察する。
本研究室では、そのような背景から、ストレス状態を可視化するための装置開発を行ってきた。
その流れから、先行研究では体調の変化によってストレスの指標となる皮膚コンダクタンス変化の測定結果に影響が出ていると考え、その影響を明らかにするための実験を行っていた[2][3]。
本研究では、体調だけではなく、時間や時期などから皮膚コンダクタンス変化の測定結果が影響を受けていると考え、その相関を明らかにするため実験を行った。
2. 方法
測定時間 07:30、08:30、13:30、20:30、23:30 に体温、血圧、脈拍の測定をする。季節の変化だけ
でなく食事後など条件を変えたときの測定ができるように行う。また、精神性発汗を別日において測定時間 14:00、22:00 に行い、その時の体温、血圧、脈拍、気温との相関を見る。以下は今回使用した測定器の一覧である。
表 1 使用器具
品名
型番
メーカー名
MC-681
OMRON
電子体温計
EW-BW10
Panasonic
手首血圧計
デジタル
CERCER
温度計
決まった時間に体温計は脇に入れて体温を測定する。また、血圧計を手首に巻き心臓と同じ高さで測れるように設定し、手首が動かないように
血圧及び脈拍の測定を行う。皮膚コンダクタンス
測定を先行研究で作成した装置を用い冬休み期間に測定を行う。ただし、全ての測定が 10 分程
度で完了するようにする。その後体温、脈拍、血圧の 3 要素の測定データを Excel でまとめ、統計
ソフト R で散布図を取る[1]。なお、散布図は plot関数を用いる。皮膚コンダクタンス変化は、直流成分(SCL)と交流成分(SCR)にわけ、Excel で散布
図を取る。
3. 結果
時間と日数変化による体温、血圧(High)、血圧(Low)、脈拍について散布図を作成した。その結果、07:30-08:30 までは体温にはそれほど数値の変化は見られないが、夜になるにつれて体温が上がっていることがわかった。日数や体温の変化に応じた血圧の数値は、07:30 の時点での血圧(Low)の値が 70-80 で集まっており、朝の血圧にはある程度の相関があることが見受けられた。また、血圧(High)のなかで、日数 40 日以降の時に血圧が普段より 5 ほど低くなっていることが分かった。
皮膚コンダクタンス変化について SCR と SCLを測定した結果、SCL は日中、夜ともに数値の変動はたいして違いはなかった。また、体温、脈拍、血圧、気温と比べた結果、血圧や気温にはそれほどの変化がなかったのに対し、SCR の値は日中と夜で数値の変動が大きいことから体温や脈拍に何らかの相関があると考えられる。また、体温は時間が経つと変化する関係上、時間も SCR の変化に相関があるのではないかと考えられる。
4. まとめ
6 月 9 日から 7 月 31 日までの体温・血圧・脈拍の変化を散布図にしてどのような相関関係があるのかを確認した。日数が経った時や食事後などに体温の数値が変化した。寝る前 23:30 の体温にばらつきがある原因としては、直前に風呂に入ったかどうかが考えられる。血圧が 40 日以降に低くなっていく原因として、8 月 1 日から片頭痛を起こしたことに関係があると考えられる。
別日に行った精神性発汗の測定について、体温、脈拍、血圧、温度と皮膚コンダクタンス変化にどのような相関があるのか計測を行った。その結果、血圧や気温にはそれほどの相関がみられなかった。しかし体温や脈拍は日中と夜に違いがみられ、それに従い SCR の日中と夜の違いが大きいことから、体温、脈拍、時間と SCR には相関がある
ことが示された。
5. 今後の課題
測定器が一つしかない関係上、たくさんのデー
タを取ることができなかった。よって装置を複数個製作するか、一つの装置で複数人のデータを取ることで装置の精度向上に向けデータを集めることが必要であると言える。また、ストレスの指標を作るために体調の変化を、条件を変えて実験を行う必要があると考える。
参考文献[1] RPubs,散布図の書き方, https://rpubs.com/indipapa/scatter_chart[2]山田健史,2017 年,皮膚コンダクタンス測定器の開発,サレジオ高専卒業論文[3]三友悠馬,2019 年,皮膚コンダクタンス測定器を用いた情動計測器の開発,サレジオ高専卒業論文‐135‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

自営 LPWA 通信の小山ヶ丘地区周辺におけるカバレージに関する研究 ～移動端末の構築、運用～
Research on the Coverage Area by the Private LPWA Radio Communicationin the Oyamagaoka Area ～Construction and Operation of Mobile LoRa Terminal～
16454 横川 颯汰
指導教員 三輪 賢一郎
1. 背景
近年、低消費電力、長距離通信が可能な LPWA
（Low Power Wide Area）が広く用いられている。
中でも LoRa（Long Range）[1]は、低消費電力、
長距離通信を特徴とする無線通信方式であり、免許不要で運用が可能なことから、IoT のインフラとして幅広く使用されている。LoRa の仕様では、
その通信距離は最大 10km とされているが、周辺の環境や障害物などで通信距離は大きく異なる。
サレジオ高専が立地する小山ヶ丘地区周辺の地域は丘陵地となっており、本校の半径 2 ㎞圏内の高低差は約 60m にも及ぶ。しかしながら、かつて本校の周辺で LoRa の伝搬環境についての調査は行われたことがなく、ファクトデータは存在しない。そこで本研究では、サレジオ高専周辺地
域における LoRa の伝搬距離についての調査を行うことで、将来の本校周辺での本格的な IoT 研究やセンサネットワークの実運用に有用なファク
トデータを蓄積することを目的とする。
2. 研究方法
本研究では、LoRa 通信に対応した基地局（IoT
ゲートウェイ）と移動端末（GPS センサ）を準備した。基地局には Dragino 社製 IoT ゲートウェイ
LG01-JP を採用し、ThingSpeak に対してデータのアップロードを行うためのプログラム（オープンソース）を実装して構築し、基地局は本校 3 階の中庭に設置することとした[2]。
移動端末には、
Dragino 社製の LoRa mini Dev にGPS モジュールを搭載し、ThingSpeak[3]に対応したデータ生成を可能にするためのプログラム（オープンソース）を実装して構築した。
これにより、移動端末からの緯度・経度等のデータが LoRa 通信により基地局で受信され、それらのデータは基地局から ThingSpeak にアップロードされることになる。伝搬距離や障害物等の影響により LoRa 通信が途切れると、移動端末からの緯度・経度の情報を基地局側で受信することが出来なくなるため、このことから LoRa 通信のカバー範囲が特定できる。
3. 結果
構築した基地局と移動端末を用いて、本校周辺の LoRa 通信のカバレージ範囲を調査した。周波数帯域幅は 125kHz、500kHz の 2 通りで設定し、拡散率は 7 に固定して実施した。ThingSpeak に

アップロードしたデータを Google Earth[4]により可視化した調査結果を図 1、図 2 に示す。
図中のピンは LoRa 通信が確認できた地点である。最大通信距離は 125kHz で 403m、500kHz で172m であった。予測していた最大通信距離（2 km）に満たなかった原因として、本校の南館と北館に挟まれた位置に基地局を設置したことが大きく影響していると考える。

基地局

図 1 周波数帯域幅 125kHz、拡散率 7

基地局

図 2 周波数帯域幅 500kHz、拡散率 74. 結論
本研究では、サレジオ高専周辺地域におけるLoRa 通信のカバレージ範囲についての調査を行った。調査結果から、使用する帯域幅によってカバレージ範囲が変動すること、現状では最大400m まで通信が行えることを確認した。
文献[1] LoRa Alliance https://lora-alliance.org/[2] 「LoRa に GPS を付けて、会社の周りを歩いてみた」
https://qiita.com/openwave-cojp/items/8dae802638cf6ac62650[3] ThingSpeak https://thingspeak.com/[4] Google Earth https://www.google.com/earth/‐136‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

小型自律走行車用制御基板のキット化に関する検討
A Study about Kit-izing of the Control Board for Compact Autonomous Vehicles【一行空けます】
16455 吉田 海里
指導教員 吉田 将司【一行空けます】
体の現在地を確認することができた。
1. 緒 言近年プログラミング教育の需要が高まり、2020 年度より小学校で必修化されるなど取り組みの強化が進んでいる。一方で、学校教育では、指導者や教材、指導ノウハウ不足、ICT 環
境整備の遅れが課題となっている[1]。
GPS を使用した自律走行車は近年普及し始めているが、学校教育の教材として自律走行車の教材はほとんど見られない。制御基板と工作キットを組み合わせることができれば、自律走行車の小型化及び低価格化が可能となる。また、これまで本研究室で開発した自律走行車は使用者との相互通信ができなかった[2]。そこで本研
究ではキット化を目標にスマートフォンと相互通信可能な制御基板を開発する。
2. 方 法本研究は以下の手順で行った。
図 1 自律走行アルゴリズム①現在地(MayPoint)から目的地(WayPoint)へ向かうアルゴリズムの検討②自律走行プログラムの製作③Arduino Uno 用制御基板④ESP32-DevkitC 用制御基板⑤スマートフォンとの連携試験
3. 結 果①自律走行アルゴリズムの検討を行った。図 1(a)Arduino Uno 構成(b)ESP32-DevkitC 構成
は自律走行アルゴリズムを示す。機体の現在
図 2 自律走行車の構成
4. 結 言地と目的地から方位角を算出し、この時の方本研究では Arduino 用の自律制御基板及び位角を基準方位として、基準方位に対して±
ESP32-DevkitC 用の制御基板を製作した。製作
30 度の範囲に入るとき機体は前進する。それ
した自律走行車から送信されたデータから以外の場合には右回転によって方位を合わせBluetoothGPS を用いて現在地の表示をすることる。機体が範囲から出てしまった場合は、再ができた。
度 GPS の受信を行う。現在地を取得し同様の
今後はスマートフォンから機体を制御するプ動作を行うことで目的地に向かうというアルログラムの製作が必要となる。また、現在のプ
ゴリズムとなっている。図 2 は自律走行車のログラムは受信した測位結果をそのまま使用し構成を示す。
ているため誤差が大きくなる。そこで移動平均②①のアルゴリズムを基に自律走行プログラム
法を用いて平滑化し、誤差を低減させる。さらを製作した。2 種類の LED によって動作を可に自律走行車の WayPoint の指定や現在地を視化し、現在機体がどの状態にいるのか確認
Map へ表示するためのアプリケーションの製作することができる機能を追加した。
やキット化するにあたってプリント基板の製作③Arduino Uno 用制御基板の製作を行った。
が必要だと考えられる。
④ESP32-DevkitC 用制御基板の製作を行った。
文 献⑤スマートフォンのアプリケーションを用いて、[1]総務省,“平成 30 年版 情報通信白書, 第 6 節 ICT 利
ESP32 から送信された GPS データを受信する。
活用の推進”
まず、SerialBluetooth を用いて送信されたデ[2]西 良介,“小型自律走行車を用いた円盤投補助システムの検ータの確認を行った。次に BluetoothGPS を用討”,サレジオ高専専攻科特別研究論文.2019
いて送信された NMEA フォーマットから機‐137‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

自営 LPWA 無線の小山ヶ丘地区周辺におけるカバレージに関する研究 ～基地局の構築、運用～
Research on the Coverage Area by the Private LPWA Radio Communication in the Oyamagaoka Area
～Construction and Operation of LoRa Base Station～
16456 吉田 龍紀
指導教員 三輪 賢一郎
1．背 景
あらゆる分野で IoT の導入が進展している中、低消費電力で広域に通信が可能な LPWA が注目されている[1]．
数ある LPWA 規格の中でも，
LoRa
規格のカバレージ範囲は最大 10km にも及び，また簡易に運用が可能なことから幅広く使用されている[2]．しかしながら，サレジオ高専の立地する町田市小山が丘地区における LoRa のカバレー
ジ範囲に関するファクトデータが存在していない．そこで本研究では本校周辺における LoRa のカバレージ範囲についての調査実験を行うこと
で，将来の周辺地域における実験や実運用に有用なファクトデータを蓄積することを目的とする．
2．方 法
まず本調査実験に必要となる，LoRa 通信に対応した基地局（IoT ゲートウェイ）と移動端末（ GPS セ ン サ ） と を 準 備 し た ． 基 地 局 に はDragino 社製 IoT ゲートウェイ LG01-JP を採用し，ThingSpeak[3]に対してデータのアップロードを行うためのプログラム（オープンソース）を実装して構築した[4，5]．基地局用のアンテナは付属のものをそのまま用いることとし，本校の4 階建て校舎の 3 階部分の中庭に基地局とともに設置した．移動端末には，Dragino 社製の LoRa
mini Dev に GPS モジュール（AEGYSFDMAXB）を搭載し，基地局ならびに ThingSpeak に対応したデータ生成を可能にするためのプログラム（オープンソース）を実装して構築した[4，5]．
これにより，移動端末が獲得する緯度・経度等のデータが LoRa 通信により基地局で受信され，それらのデータは基地局からインターネット経
由で ThngSpeak にアップロードされることにな
る．伝搬距離や障害物等の影響により LoRa 通信が途切れると，移動端末からの緯度・経度の情報を基地局側で受信することが出来なくなるため，このことから LoRa 通信のカバー範囲が特
定できる．
3．結 果
構築した基地局と移動端末を用いて，本校周辺の LoRa 通信のカバー範囲について調査を実施した． ただし LoRa 通信の拡散率は 7 と 12（最大）の 2 通りとした．また，データ量の大きいア
プリも想定し，通信の帯域幅は最大の 500 kHz とした．拡散率が 12 のときの結果を Google Earth[6]を使ってプロットしたものを，図 1（上方向が北）に示す．

図1

LoRa 通信のカバレージ範囲

図中の黄色いピンが通信が確認できた地点である．結果から，その最大伝搬距離は約 400 mとなっているが，場所によって範囲は 100 m 程
度にとどまっている．これは，基地局が本校の南館と北館に丁度挟まれた位置に設置されていることが大きく影響したと考えられる．
4．結 論
本研究ではサレジオ高専周辺の LoRa 通信のカ
バレージ範囲の調査を行った．先行研究の結果から，本校周辺では最大 2km ほどの通信が可能であるとの予想をしていたが，実際の調査結果では
そのカバレージ範囲は最大 400m 程度にとどまり，測定方法等を再検討する必要がある．
文 献[1] 高橋幹，國澤良雄，神保尚保，新保宏之，“アンライセンスバンドを使用する LPWA(Low Power Wide Area)
規格の最新動向，”電子情報通信学会誌 Vol．102，No．
5，2019，LON の全て特集 2-2 ディジタルファブリケーションによる回路印刷技術 393[2] LoRa Alliance．https://lora-alliance．org/[3] ThingSpeak．https://thingspeak．com/[4] ㈱オープンウェーブ社による記事．「LoRa に GPSを付けて、会社の周りを歩いてみた」．https://qiita．
com/openwave-cojp/items/8dae802638cf6ac62650[5] GitHub．"LoRa GPS Example"
https://github．com/openwave-co-jp/LoRaGPSExample[6] Google Earth．https://www．google．com/earth/‐138‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

自律走行車の高精度誘導に関する検討
A Study about the High-Precision Navigation of the Autonomous Car
16457 吉野 伶弥
指導教員 吉田 将司
1. 緒 言近年、自律走行車の研究が進められている。
そして本研究室でも、補助員の削減、省力化を目標とした、小型自律走行車による円盤投競技の補助システムについて開発してきた[1]。しかし、昨年度の研究は誘導のための測位精度が不十分という課題があった。本研究では高精度測位が可能な RTK 測位を用いて、機体制御の高精度誘導を目指す。また、完成した機体を使用して、GPS ロボットカーコンテスト(遠隔開催)に出場することを目標とした。
2. 方 法図 1 は本研究で使用した自律走行車を示す。
これは昨年開発されたものを改良したものである。機体の基本的な動作は GPS から得た位置情
報を arduino で計算し、目的地までの距離と方位を求め、その情報をもとに目的地に移動する。
RTK 測位とは GPS により測位した自身(移動局)の位置と、既知の場所(基準局)から送信された補正データの二つのデータを使用し、計算を行い、現在の位置を高精度に求められる手法である。本研究で使用する基準局は、サレジオ高専
屋上にある先行研究[2]で製作されたものを使用した。自律走行車は移動局であり、基準局からの補正データを Xbee による通信で得る。
3. 研究内容
今年度は以下の手順で研究を実施した。
① RTK 測位を用いた走行② 機体構造の改良③ 現在の機体での単独測位と RTK 測位の比較④ 現在の機体と昨年度の機体の比較実験
4. 結 果RTK 測位を用いた走行が可能となり、シャーシとの固定の甘かった機体の構造を改良した。
また、改良した機体を使用して、単独測位とRTK 測位の走行比較実験をした。また過去の機体との走行比較実験をした。
図２は単独測位を用いた八の字走行を行った
時の走行軌跡で、図３は RTK 測位を用いた八の字走行の走行軌跡を示す。この実験より RTK
測位を用いた方がウェイポイントを正確に通過する走行をすることが出来た。
図 4 は先代の往復走行の軌跡であり、図 5 は現在の機体の往復走行の軌跡である。この実験より停止地点からゴール地点までの誤差が先代
は 1500mm に対し現在の機体では 117mm と大幅な改善となった。

5. 結 言本研究では過去の機体の問題点であった測位精度の低さを改善し、高精度誘導が可能となった。今後の課題としては、走行中に無線の接続が切れることがあるので無線通信の安定化が必要である。また、位置情報を受信できないときに左旋回するというプログラムとなっており、これにより無駄な走行時間が増えていたため、復帰動作を改良することが挙げられる。

図 1 自律走行車

図２

単独測位を用いた八の字走行

図3

RTK 測位を用いた八の字走行

図 4 先代の 30m 往復走行

図 5 現在の機体の 30m 往復走行

文

献[1] 西 良介 “小型自律走行車を用いた円盤投補助システムの検討”,サレジオ高専専攻科特別研究論文(2019)[2] 大谷 侑生 “サレジオ高専における研究用 RTK 基
準局検討” ,サレジオ高専卒業論文(2019)‐139‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

IH 調理器用 AC-AC 直接変換回路の変換効率改善に関する研究
A Study on the Improvement of Conversion Efficiency in AC-AC Direct Conversion Circuit for IH Cooker
16458 綿貫 歩
指導教員 米盛 弘信
4. 測定方法
本研究は，加熱する際のエネルギー変換(伝達)効率の向上を確認することが目的である。先行研
究と条件を揃えるため，交流側は 80V-50Hz 入力とした。また，FET のスイッチング周波数は20kHz とした。
加熱対象は直径 200mm の三層 SUS鍋に入れた水 1L である。鍋の蓋は開放状態とした。入力エネルギーは，パワーアナライザを用いて電源電力と力率を測定し，出力エネルギーはメモリーハイロガーと熱電対を用いて鍋の水温を測定して算出した。
5. 測定結果
図 2 は，加熱した際の水温変化を表す。鍋の水は実験開始時 11.1℃であり，平均 8.74℃/分で上昇していき，加熱開始から 607 秒で 99.0℃に到達した。
100
Tempreture [℃]

1. 緒言
IH 調理器は，高周波誘導加熱の原理を用いた加熱調理システムであり，一般的には商用電源を直流へ順変換し，さらに直流を高周波交流へと逆変換して 50Hz を 20kHz 程へと変換している。同
方法は，一度直流に順変換して再度高周波交流へ逆変換するため，使用する素子数が多くなり損失が大きくなる。そこで本研究室では，交流商用電
源を双方向スイッチによって直接高周波へ変換することで素子の導通損失を大幅に減らす回路方式を提案している。しかし，先行研究では実用に供する変換効率に達することができなかった。
そこで本研究では，素子の種類，及び制御回路を改善することで変換効率をどこまで改善できるか検討する。
2. 問題点図 1 は，本研究室が提案している AC-AC 直接変換回路である。従来の卓上型 IH 調理器は，商用電源の交流から直流へ変換後，1 石でスイッチングを行うのに対し，本回路は商用電源を入力とし，2 石の FET を逆向きに直列接続することで双方向のスイッチングを実現している。
筆者は先行研究[1]における効率低下の要因として，スイッチング素子の損失と制御回路の最適化不足を考えた。

75
50
25
0

0

100 200 300 400 500 600
Time [sec]図 2 加熱した際の水温変化

電源電力は，パワーアナライザより 917.4VA，有効電力 884.2W，力率 0.96 であった。(1)式より，グラフの傾きが一定である加熱開始 100 秒から
400 秒までの 300 秒間での効率を算出すると，加熱効率は 65.2％となった。
4.18 × 𝑄 × (𝑇 − 𝑇0 )
𝜂 =× 100 [%] ・・・(1)𝑆×𝑡
図 1 提案している AC-AC 直接変換回路

3. 損失低減法の提案
本研究では，FET 制御回路の見直しによる制御の最適化，及び，一般的な MOS-FET を SiCMOSFET に置換することで効率の改善効果を検討する。具体的には，①TLP627 による ZC 検出
回路において，TLP627 の入力スレッショルド電
圧 Vf≃1V による不正確な ZC 検出の課題に着目
し，Rohm 社の ZC 検出 IC を採用することにした。②マイクロコンピュータで全ての制御を行う
ことによって緻密な制御が実現し，FET で発生する損失を低減させる。③SiC-MOSFET への置換による低 ON 抵抗化を図ることで，従来の FET を用いた回路から損失を最大 80％低下させる。

ここで，Q:加熱対象[mL], T:水温[℃], T0:初期水温[℃],
S:皮相電力[VA], t:加熱時間[sec]6. 結言
本研究では，筆者が提案する IH 調理器用 ACAC 直接変換回路の効率改善に取り組んだ。変換効率は，先行研究(58.8%)から+6.4%の改善となった。また，既製品と比較して-1.85%と，既製品とほぼ同じ加熱効率を出すことに成功した。今後は，加熱効率向上を図り，本提案手法の優位性を証明していきたい。
参考文献[1] 綿貫 歩，米盛弘信：“制御回路を改善した IH 調理器
用 AC-AC 直接変換回路の加熱効率に関する研究”，2020 年(第 2 回)電気設備学会学生研究発表会プログ
ラム・予稿集，p.9， (2020)‐140‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

VLF-MT 法による小山内裏公園での地下構造探査

VLF-MT Survey of Shallow Under Ground Structure at Oyama Dairi Park, Tokyo
15452 吉岡 和輝
指導教員 伊藤 光雅
1. 緒言
地磁気地電流（Magneto-Telluric）法（以下 MT法）は，比抵抗探査法の一種であり，自然界に存在する電磁波の地中伝搬の特性から地下の比抵抗を算出するものである．本研究では，まず模擬実験を行い，比抵抗探査の原理を理解する．その後，野外調査にて，VLF（Very Low Frequency）MT 装置を用いた地下浅部の比抵抗の測定を行い，得られた比抵抗分布をもとに地下構造を推定す
る．
2. 方法
本研究では，比抵抗探査法の原理を理解する目的でカーボン紙を用いた模擬実験を行った．カー
ボン紙には炭素が塗布されており，導電性がある．
そこで，カーボン紙上に通電させ，表面の電位を測定することで比抵抗分布を可視化させる．本実験では，カーボン紙上に穴を空けるなどの加工を施して不均質な状態にし，それらが比抵抗分布に与える影響を確認した．
実際の比抵抗探査には，VLF-MT 装置を用いた．
本実験で使用する装置は比抵抗の測定に，宮崎県えびの市の，えびの送信所より送信される
22.2[kHz]の対潜水艦用電波を利用している．実験は，小山内裏公園の中央部に位置する芝生にて実施した．現地の土壌に 6×15[m]の範囲で 3 本の測線を設け，比抵抗の測定を行った.また，それらのデータから地下構造を推定した．
3. 結果
3.1 カーボン紙を用いた模擬実験
実験では，カーボン紙上に湿らせたティッシュを置くことで，地中の水分飽和領域を再現した．
図 1 において，等電位線は水分の豊富な箇所に集中しており，高比抵抗域を示している．通常，地中の水分飽和領域は低比抵抗域として検出されるが，これは炭素の比抵抗が水の比抵抗と比べて低いためである。

3.2 MT 法による地下比抵抗の測定
図 2 を見ると，38[Ω・m]以上の高比抵抗域が北部および西部に 3 箇所，32[Ω・m]以下の低比抵抗域が南部に 2 箇所見られ，全体として北から南に行くほど，低比抵抗となっていることがわかる．
地下浅部において高比抵抗となる場合，空隙や木の根等が要因として考えられる．また，低比抵抗となる要因としては，地下水や，配電盤等の人工物の存在が考えられる．

図2

本調査地での MT 法による比抵抗分布図

4. 結 言カーボン紙を用いた実験では，カーボン紙上の等電位線と電気力線を可視化することで，比抵抗の性質も含めて比抵抗探査法の原理をよく理解する上で有効であった．
今回の MT 法では，局所的な地下構造を得ることはできたものの，探査範囲が十分ではなく詳細な地下構造を解析するには至らなかった．調査，運用においては，広範囲での測線上でデータを取る必要がある．
5. 今後の予定
今年度は新型コロナウイルス感染症の影響により，調査地の変更を余儀なくされた．次年度は，本来調査予定であった二子玉川緑地運動場および魚津埋没林博物館広場にて実施する．
文

献[1] 狐崎長琅，“応用地球物理学の基礎”，古今書院，(2001)[2] 佐々宏一，芦田譲，菅野強，“建築・防災技術者のための物理探査”，森北出版株式会社，(2007)[3] 内野裕介，“高密度電気探査を用いた地下構造の解析―基礎理論を学ぶための教材の研究―”，サレジオ工業
高等専門学校 卒業論文，(2016)[4] 関谷友輔，“残留磁化を用いた落雷時の電流経路の研
図1究”，サレジオ工業高等専門学校 卒業論文，(2018)

表面を湿らせたカーボン紙上の等電位線‐141‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

プログラミング学習のための教材の開発
Development of the Teaching Materials for Programming Learning
15439 中村 潤菜
指導教員 冨田 雅史
1. 背 景人工知能やビックデータの普及によりSociety5.0 の到来がいわれる。日本では、2020 年
度から小学校でもプログラミング教育が実施された[1]。この義務教育のプログラミング教育が追加されることにともない、本校でも今年度までのプログラミング教育の改善を行う必要があると考えられる[2]。現在本校で使用している教材
である LEGOⓇMINDSTOMSⓇは老朽化による不具合が生じているため新しい教材への切り替
えが進められている。本研究では新教材の効果を最大限引き出すことを目標に、作業効率向上の観点から実装のための改善を提案する。
2. ArTecRobo について
ArTecRobo は株式会社アーテックが提供しているロボットプログラミング教材である。ロボットの外観と構造をアーテックブロック、センサー部品で作製し、プログラミング環境を
Studuino(Arduino 互換)、Studuino プログラミン
グで作製できるため、初心者でも、ロボットを容易に動作させることができる。[3]3. 作業効率向上の提案
3.1 作業ミスの低減
まず、センサーの視認性が低くミスにつながることを発見したためセンサーにシールを貼る対策を施した。効果測定は、まず、時間を計測しながら被験者にシールが付いていない部品の中からタッチセンサー１つと赤外線フォトリフレク
タ 2 つを探してもらった。つぎに同じ実験をシールが付いていない部品で行った。そしてアンケー
ト評価を行った。計測データは所用時間の平均と標準偏差を比較、アンケートでは作業意欲の変化について問うものとした。

図１

計測しながら今度は文章のみの資料を参考に配線を行ってもらった。計測した時間を比較しどちらの作業効率が高いかを調査した。なお、この実
験では 3.1 項で実施したシール貼り付けを施したものを使用した。
4. 結 果
作業ミス低減のためのシールの有無の実験では、シールなしでは平均 42.48 秒、シールありでは平均 10.67 秒、差は 31.81 秒であった。アンケートでシールの有無で作業効率が変化したかの問では 12 人中 10 人があてはまる、2 人がややあてはまると回答した。作業効率がどう変化したかの問いでは 6 人がとても上がった、6 人が上がったと回答した。作業意欲は変化したかの問いでは
1 人が当てはまる、6 人がやや当てはまる、3 人がどちらともいえない、1 人はむしろ邪魔と回答した。作業意欲はどう変化したかの問いでは 1 人
があてはまる、7 人がややあてはまる、3 人がど
ちらでもないと回答した。シールはあったほうが良いかとの問いでは 7 人があてはまる、5 人がや
やあてはまると回答した。
説明書の工夫における実験では 8 人のうち 7 人において、文章のみの説明に比べ、イラストを用いた説明書の作業時間が短くなる傾向がみられ、平均して 100 秒の差があった。また、写真の必要性についてのアンケート結果については、必要と答えた人は 2 人、あったほうが良いは 5 人、どちらでもいいが 1 人であった。
5. 結 論結果からシールを貼った場合作業効率は上がることが分かった。また、シールが貼ってある場
合作業意欲は上がることが分かった。イラストと文章の比較ではイラストの作業効率が高かった。
また、イラストに加えて写真があったほうが良いという傾向が得られた。
6. 今後の予定
作業効率向上により学生の意欲向上が見られる結果が得られた。これは学習意欲向上にもつながる可能性がある。今後、この観点からさらに調査を進め、効果的な教材の実装を目指す。

制作したシールのデザイン

3.2 説明書の工夫
文章で説明する場合とイラストで説明する場
合の 2 つを比較したとき作業効率が高いのはど
ちらか同一の被験者にて比較実験を行った。まず、時間を計測しながらイラストのみの資料を参考に配線を行ってもらい、写真が必要であるかのアンケートを行った。その 1 週間後に同様に時間を文

献[1]小学校プログラミング教育の手引き(第三版)[2]小学校プログラミング教育の趣旨と計画的な準備の必要性について[3]Studuino プログラミング環境取り扱い説明書‐142‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

新規プログラミング教育の再構築に向けた教材の実装
Implementation of Teaching Materials for Rebuilding New Programming Education
15443 堀内 柾希
担当教員 冨田 雅史
1. はじめに
本研究室ではモーター制御を通してプログラ
ミングについて学習するための教材の開発を行う。これには、モーターを使うため、モーターの回転を計測及び制御できる環境が必要である。また、主な対象はプログラミングについて学習中の学生となりプログラミングだけでなくパソコンにもあまり触れたことのない人がいることが考えられる。そのため、容易に扱うことができ、実験結果を理解しやすい形にしなければならない。
本研究では、プログラミングについて学んだばかりの学生にも扱いやすい教材の開発を試みる。

4. Python による制御
Python は記述ルールが簡単で変数の型宣言が不要、コンパイルが不要という特徴があり、主な対象がプログラミングについて学習中の学生であるため必要な操作をできる限り少なくする必要がある。という条件を満たせるため本実験でのモーター制御に使用した。しかしモーター制御に Python を使用するためには Python から
ArduinoUno へ信号を送信できなければならない。そのため本研究では実験で使用するハード
ウェア構築及び Python から ArduinoUno へ信号を送信できるソフトウェア環境を構築、その検証を行った。作成した教材を図２に示す。

2. システム構成
扱いやすい教材にする上で、実験中に必要な操作をできる限り少なくする必要がある。本研究では、複雑な操作をせずにプログラミング学習が行えることを最終目標として教材を作成していく。
本体のモーターには 75:1 のギアモーターを使用
し、1 週 12 段階の磁気式エンコーダを取り付けた。ドライバＩＣを用いてプログラムに沿ったモーター制御を行う。
3. 制御方法
図 1 は装置の構成図である。制御にはArduinoUno と Python を使用した。モーターのシ
ャフトに取り付けた磁気ディスクの位置をエンコーダで読み取り 2bit のディジタル信号の形で
Arduino へ送信する。エンコーダで読み取ったモーターの回転に連動した磁気ディスクの回転による値の変化からモーターの動きを計測することができる。

図 2.

作成した教材

5. まとめ
本論文ではプログラミング学習のための教材の開発過程について報告した。今回構築した環
境で検証を行った結果 Arduino とエンコーダを用いた回転測定、ドライバ IC を加えてのモータ
ーの回転数に応じた回転方向の制御及び Python
から信号を送ることによる任意のタイミングでの回転方向の制御ができた。今後の課題としてはプログラムを直接 Python から Arduino へ送信
する事でコンパイルを行わずに様々なプログラ
ムを実行できるようにすることがあげられる。
文献

図１．構成図[1] https://www.pololu.com/product/3081[2] https://www.pololu.com/product/2215[3] https://qiita.com/k_zoo/items/cbeda6736d727113b7cd[4] CQ 出版，トランジスタ技術，2020 年 9 月[5] 南裕樹，Python による制御工学入門，2019 年‐143‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

2020年度

情報工学科

卒業研究

テーマ一覧

学籍番号

学生氏名

テーマ（和文）

16502

荒幡 天

テレビゲーム内の文章における書き手の判別

16503

安西 諒馬

脳波計測器を用いた集中度の計測と評価方法の検証

16504

安藤 龍治

ステレオ視を用いた三次元の動きの追跡

16505

五十嵐 龍人画像による物体の追跡を用いた車の制御

16506

石黒 流真

Schwarzschild 時空中における重力レンズ効果のシミュレーション

16508

上原 岳人

農作物における輸送距離を考慮した生産計画問題

16509

衛藤 勇人

Efficient GAN-Based Anomaly Detectionにおける画像診断精度に関する研究

16510

海老澤 勇一郎 生物の個体数の増減に関する数理モデルとその数値計算

16512

大塚 泉春

文章の構成による自動評価とネットユーザーの評価の比較

16513

岡江 仁

携帯型端末向けLMSアプリケーションを用いた教材の開発と実証実験

16514

小方 海生

電源ボタンを認識する機能の試作

16515

奥田 真大

粘菌アルゴリズムによる複数経路の探索に関する研究

16517

垣内 悠人

CFRPのドリル加工における不良品判定法に関する研究

16518

川鍋 慎太郎テクニカル指標による暗号通貨の投資戦略の研究

16519

川本 智大

Jetson Nanoへのバリ検出法の実装に関する研究

16520

橘野 広

複数のカメラを用いた物体追跡システム

16523

古郷 貴大

自動車の右左折時の障害物抽出

16524

権 奈悟

ネットワーク型並列数値計算アルゴリズムの性能評価

16526

斎藤 風雅

最小限必要とされる介護施設の施設数の試算: 2040年の東京都を事例として

16530

シモーネ 琉加 2光源環境下での影領域の除去

2020年度

情報工学科

卒業研究

テーマ一覧

学籍番号

学生氏名

テーマ（和文）

16532

諏訪 大介

クラシック音楽で求められるトランペットの音色の特徴解析

16533

髙橋 誠

雪合戦エージェントの作成

16535

谷本 陽祐

画像解析による生地等の素材の判定

16536

反町 拳志朗Webから得られるオルタナティブデータを利用した喫茶店の属性分析

16537

銭 治任

コロナショックからの企業業績の回復予測

16539

土屋 智哉

生物の模様を表現する反応拡散方程式の数値計算

16540

野崎 龍介

不協和音と外音の削減を行う自動作曲を用いた曲の飽き時間

16541

林 武志

OpenPoseを用いた歩容認証

16543

堀川 達平

Semi-supervised GANを用いた木材加工のバリ検出に関する検討

16544

前田 楓太

二種類の細胞による集団回転運動を理解するための数理モデルとその数値計算

16545

丸尾 滉樹

集合被覆問題のラグランジュ緩和法を利用した近似解法

16546

三木 允拓

自己相関関数により楽曲の拍子を判別

16547

水野 彰大

画像を用いたふらつき運転検出方法の提案

16548

宮下 碧巴

色覚異常を理解するための畳み込み積分モデルとその数値計算

16549

結城 翔太

静定ラーメン構造の力学的解析とシミュレーション

16550

渡邉 飛龍

背景知識とプロットを用いた短編小説の自動生成

15503

依知川 拓海PTZカメラの初期摂動の検出

13504

青島 一理

地震時における物体の変位のシミュレーション

サレジオ工業高等専門学校

テレビゲーム内の文章における書き手の判別
Writer Identification about Sentences in Video Games
16502 荒幡 天
指導教員 大島 真樹
1. 背景
著者の書き方の特徴に基づいて，文章の書き手を推定する技術がある．この技術の汎用性を確かめたい．
2. 目的
作家が書いた文章や，小説を用いた研究は十分にされているが，一般人の書いた文章や，小説以外の文章においては，研究がまだまだ不十分である．本研究で明らかにすることは，一般人が書いた文章においても書き手を判別できる
か，テレビゲーム内の文章においても書き手を判別できるかの 2 点である．
3. 環境
本実験では，開発環境として，Google
Colaboratory を利用する．使用言語は Python 3 である．
Google Colaboratory が提供している仮想マシ
ンのスペックは，以下のとおりである．
・OS: Ubuntu 18.04.3 LTS・プロセッサ: TPUv2
・メモリ: 12GB
4. 使用データ
本研究では，ゲームソフト制作会社である，
株式会社フロム・ソフトウェアの宮崎氏がゲー
ム内のアイテムの文章を担当した，ゲームソフト「DARK SOULS III（以下「宮崎 A」と呼ぶ）」，ゲームソフト「Bloodborne（以下「宮崎 B」と呼ぶ）」，社内の別の方がゲーム内のアイテムの文章を担当した，ゲームソフト「SEKIRO: SHADOWS DIE TWICE（以下「野上C」と呼ぶ）」の文章を使用する．
5. 方法
まず，宮崎 B の文章 100 個と野上 C の文章
100 個から，宮崎 B と野上 C それぞれのモデル（判別基準）を生成する[1]．次に，宮崎 A の
文章 100 個を 2 つのモデルに入れる．宮崎 A の文章が，野上 C の文章よりも宮崎 B の文章のほうに似ていると判断されれば，正答となり，宮崎 B の文章よりも野上 C の文章のほうに似ていると判断されれば，誤答となる．入力する文章
100 個の正答率が 70%以上であれば，実験成功
である．
6. 結果
図 1，図 2，図 3 に，実験結果を示す．縦軸の値は，入力された文章が，モデルにどれくらい似ているかの度合いを表す値である．横軸の値
は，文章番号である．似ていれば正の値に，似ていなければ負の値になる．また，片方のモデルに似ていれば，もう片方のモデルには似ていないと判断されるので，同じ文章を入力したときに 2 つのモデルから出力される類似度の絶対値は，ほぼ同じになる．

図1

宮崎 A の文章を宮崎 B のモデルに入力した結果

図2

宮崎 A の文章を野上 C のモデルに入力した結果
表 1 実験の結果

入力された
文章

宮崎 A の文章

宮崎 B の文章 野上 C の文章
のほうに
のほうに
似ていると判別 似ていると判別
83%

17%

7. 考察
正答率は，83%だった．正答率が 70%を超えたため，実験成功である．本研究で正しい結果が得られたことで，書き手を判別する技術の汎用性が確かめられた．
文献[1]NOKUBI Takatsugu（2016）.「Recurrent Convolutional
Neural Networks for Text Classification」.『GitHub』,
https://github.com/knok/rcnn-text-classification（2020 年 7
月 20 日閲覧）. Copyright (c) 2016-2017 Released
under the MIT license.
https://opensource.org/licenses/MIT‐144‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

脳波計測器を用いた集中度の計測と評価方法の検証
A study of measurement and evaluation of concentration by electroencephalograph
16503 安西 諒馬
指導教員 須志田 隆道
1. はじめに本研究の目的は脳波測定器を使い学習時における脳波の動きを観測し、また観測されたデー
タを元に最大集中度の得られる問題の出題方法を推察することである。教育において、生徒がいかに問題に集中し、その集中が続くかという課題は重要である。教師(教える側)のアプローチとして、集中力が高まるような問題の出題方
法を考えるという方法がある。また、この出題
方法と集中力の関係は、塾や問題集の出版社、学校の教師などが各自経験などから判別していると思われる。しかし、集中度を測る行為は大規模な装置が必要なことが多く、装置に頼らず経験や感覚に頼った方法での判別は主観的で不正確と言わざるをえなかった。しかし、近年では、安価で簡易的な脳波計が一般向けに販売されるようになり、脳波の取得が容易になった。
脳波を用いた先行研究として[1,2]がある。
本研究では、簡易脳波計 muse を用いて取得した脳波について、集中度を数値化するための方法を提案し、集中度の評価を行う。
2. 研究方法
以下の手順を用いて脳波を取得し、集中度の検証を行うこととする。
1. muse を muse(app)がインストールされている iPhone に接続し、脳波を測定する。
2. 測定したデータが表示された muse(app)の出力画面のスクリーンショットを取得する。注意として、muse(app)では脳波の振幅の情報を取得できないため、ピクセル単位での評価を行う
こととする。
3. 出力した画像データから脳波部分のピク
セル情報のみを取得する。
4. 集中度を数値化する指標を定義し、得られた脳波部分のピクセル情報を解析する。
5. 以上の 1 から 4 までの手順を複数の状況に適応し、集中度の比較を行う。
3. 結果
本研究では検証者を筆者に定め、集中度計測のために、以下の 3 つの状況について 5 分間の計測を 10 回毎に実施した。(i) 数独(81 マス)を解く状況、(ii) 通常の生活をしている状況、(iii)
目を瞑ってリラックスしている状況。それぞれの状況で得られた集中度のデータについて、
Welch の t 検定を用いて、有意差を検証した。
図 1 が示す通りに、p 値からリラックスと通常の組み合わせには差異が見られない。リラッ

クスと集中の組み合わせは p 値が 0.05 以下になっていることから差異があることがわかる。また、通常と集中の組み合わせも p 値が 0.05 以下になっていることから差異があると考えられる。

図1

計測結果

4. まとめ今回の集中時とそれ以外を脳波計の計測結果
から取り出したデータをもとに、集中度の指標の評価を行った。図 1 が示す通り、p 値から集中時はリラックス時や通常時と差異があり、今回の計測方法及び評価方法は適正だと考える。
しかし、数独を解くという同様の状況下で計測を行ったにもかかわらず、集中時は標準偏差が大きくなってしまっている。このことから、集中時の脳波は一定の値を保って検出することは難しいのではないかと考えた。その原因として、今回の検証方法である数独の特性があるのではと考える。数独を解く過程において、前半は数値の組み合わせが多く、様々な可能性を考えて進める必要があるが、解き進めるにつれて組み合わせの数が減り、考えることが少なくなる。前半部分の集中時間は難易度によってばらつきがでるだろう。このことが標準偏差を大きくした要因の一つではないかと考える。
5. 今後の課題
今回の研究では、期間の問題から他者を対象とした実験が出来なかった。また、自身の脳波を使った研究についても、十分な量の標本を取得できていなかった。そこで、今後の課題として、被験者数の増加、一人当たりの標本数の増加、比較する問題の出題形式の種類の増加などを行うことが挙げられる。
文 献[1] 平井章康, 吉田幸二, 宮地功, 簡単脳波計による学習
時の思考と記憶の比較分析, マルチメディア, 分散,
協調とモバイル(DICOMO2013)シンポジウム論文集,
pp. 1441-1446, 2013[2] 長嶋洋一, 脳波センサ”MUSe”は新楽器として使える
か, 情報処理学会研究報告, IPSJ SIG Technical Report,
pp. 1-8, 2016‐145‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

ステレオ視を用いた三次元の動きの追跡
Three-dimensional motion tracking using stereo vision
16504 安藤 龍治
指導教員 宇都木 修一※都合により原稿はありません。

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2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

画像による物体の追跡を用いた車の制御
Control of autonomous cars using object tracking in images
16505 五十嵐 龍人
指導教員 宇都木 修一
１．背景
警察庁によると，自動車の事故の約 9 割が，運転操作不適切や安全不確認などといった，
ドライバーによる過失という事実がある [1] ．自動
運転システムがドライバーに代わって運転することによって，ドライバーの法令違反・不注意といった事故の原因が排除され，ドライバーの過失による自動車の事故を減らすことができる．本研究はRaspberry Pi と，Raspberry Pi 専用の 4WD ラジコン
カーとカメラモジュールを用いて，左右にふらつくことなく安定して物体に向かって自動で運転する
ラジコンカーを作成することを目的とする．また，ラジコンカーを旋回するときにはフィードバック制御の P 制御を用いる．P 制御とは比例制御(Proportional control)の 頭 文 字 をと った も の で ，フィードバック制御の中でもっとも基本的な制御方式である[2]．
２．追跡方法
Raspberry Pi でラジコンカーを物体に向かわせながら，カメラで取得した画像内の赤色の部分を
接近対象の物体とみなして追跡する．そしてラジコンカーを物体に向かわせつつ，物体が画像の中心より離れた位置にある場合はラジコンカーを旋回させて，物体が画像の中心に映るように制御することで，物体を追跡する．画像上の物体を中央に向かわせる速度が常に一定だと，必要以上に旋回して振動してしまい，まともに追跡ができない場合が多い．したがって，追跡しながらモーターの回 転 数 を 変 え る た め に ，フ ィ ー ド バ ッ ク 制 御 のP 制御を実装する．
３．実験
まず，赤い物体をラジコンカーから一定距離離して設置する．ラジコンカーを発進させて，ラジコンカーが赤い物体に接触したら追跡を終了する．
物体をラジコンカーの初期位置から横に 500[mm]，
縦に 2000[mm]離して赤い物体の追跡を行った結果が，図 1 と図 2 である．図 1 と図 2 は画像の中心と物体の重心の画像上での距離の時間変化を表している．変数 A は収束判定のしきい値，
変数 Kp は比例ゲインを表す．
図 1，図 2 より Kp の値が小さい場合は追跡中の振動が大きく，安定しないが，値が大きい場合は安定している．そして A の値が大きい場合は物体に接近すると振動し始めるが，値が小さい場合は接近中の振動を小さく抑えることができた．Kp=5 の場合は収束しなかったが，Kp=10 の場合は A=5 の

図1 横に 500[mm]，縦に 2000[mm]離れている場合の物体の重心との差の変化(A = 5)

図2 横に 500[mm]，縦に 2000[mm]離れている場合の物体の重心との差の変化(A = 1)

ときは 21[step]，A=1 のときは 20[step]で収束した．
収束するのが最も早かったのは Kp が大きく，
A が小さいときであった．振動数を減らすために収束判定のしきい値を変えられるようにしたが，逆に振動数を増やしてしまった．また，Kp を大きくすると安定したのは，旋回が小さくなっていることが理由である．物体の位置が大きく横に離れている
場合は，物体を認識しても旋回が足りず，そのまま物体がカメラの外へ出てしまった．
４．結 論
本研究では前方の動かない縦方向に離れている物体を追跡する自動運転の研究を行った．
物体が縦方向に離れている場合は追跡に成功した一方で，物体が横方向に離れている場合は追跡に失敗した．障害物がある場合や物体が動く
場合はどのように追跡するか検証することが今後の課題である．
文 献[1] 警 察 庁 Web サ イ ト “ 第 2 項 交 通 事 故 の 分 析 , ”
https://www.npa.go.jp/hakusyo/h30/honbun/html/u512000
0.html, 参照 Feb. 6, 2021,[2]佐藤和也, 平本和彦, 平田研二, はじめての制御工学
改訂第 2 版, 講談社, 東京, 2019.

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2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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Schwarzschild 時空中における重力レンズ効果のシミュレーション
A simulation of the gravitational lens in Schwarzschild space-time
16506 石黒 流真指導教員 山野辺 基雄
1. 緒 言1905 年に特殊相対性理論が，1915 年に一般相対性理論が，それぞれアインシュタインによって発表された．相対性理論には，それまで一般的であったニュートン力学とは異なり，時間と空間が同等のものとして扱われ，質点の運動が時間と空間を合わせた 4 次元時空中での軌跡として扱われるという特徴がある．しかし，普段
3 次元空間中で生活している我々にとって，4次元時空中の事象というものは直接観測したり想像したりすることが困難である．そこで，本研究では，一般相対性理論によって予想されている「重力レンズ効果」と呼ばれる現象の数値
シミュレーションを行うことで，4 次元時空中
での光の軌跡が 3 次元空間中からはどのように観測されるかを確認することを目的としている．
2. 方 法ニュートン力学において，重力とは質量のある 物体の間に働く力とされている．光は質量をもたないため，ニュートン力学においては光が重力の 影響を受けることはない．一方，相対性理論において，重力とは質量によって生じる時
空の歪みで あるとされている．光は曲がった時
空中を直進するため，3 次元空間から観測した際にあたかも曲がっているかのように見える．
この現象のことを 重力レンズ効果と呼ぶ． 一
般相対性理論では，曲がった時空中の直線の ことを測地線と呼び，測地線方程式という方程式
で表すことができる．これは𝑑𝑑
𝑑𝑑𝑥𝑥 𝜇𝜇1 ∂𝑔𝑔𝜇𝜇𝜇𝜇 𝑑𝑑𝑥𝑥 𝜇𝜇 𝑑𝑑𝑥𝑥 𝑣𝑣
�𝑔𝑔𝜌𝜌𝜌𝜌
�−
=0
𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑑𝑑𝑑𝑑
2 ∂𝑥𝑥 𝜌𝜌 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑑𝑑𝑥𝑥 𝜇𝜇 𝑑𝑑𝑥𝑥 𝑣𝑣
𝑑𝑑 2 𝑥𝑥 𝜎𝜎
𝜎𝜎
+
Γ
=0
⇌
𝜇𝜇𝜇𝜇
𝑑𝑑𝜆𝜆2
𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑑𝑑𝑑𝑑のように与えられる．4 次元時空中において重力以外の外力を受けない粒子の軌跡は測地線であるため，自由落下している粒子は測地線に沿って運動しているといえる．本研究で観測する
光の軌跡もまた測地線であり，測地線方程式によってあらわすことが可能である．本研究のアプローチとしては，曲がった時空中の測地線を計算し，それを 3 次元空間から観察することで光の軌跡を計算する．

3. 結 果
測地線方程式から得られた連立微分方程式
𝑎𝑎
𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑑𝑑𝑑𝑑⎫
= ± �1 − � �1 − 𝑏𝑏 ⎪
𝑟𝑟
𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑑𝑑𝑑𝑑
⎬
𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑏𝑏
𝑎𝑎
⎪
= 2 �1 − �⎭
𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑟𝑟
𝑟𝑟
を数値計算することで光の起動を得る．シミュ
レーションは 4 次のルンゲクッタ法を用いて行った．シミュレーションの結果を以下に示す．

図 1．シミュレーション結果

図 1 の線は湾曲した光を表しており，画像中
央の×印は重力源を表している．図からは重力源をレンズとして光が屈折していることがわかる．
4. 結 言測地線方程式を通し，4 次元時空中を進む光が 3 次元空間から観測すると曲がって見えることが確認できた．つまり，ニュートン力学では
光は重力の影響を受けずに直進することから，
ニュートン力学と相対性理論の物理現象の差異
や，4 次元時空中と 3 次元空間中での物体の振る舞いの違いを視覚的にとらえることができたといえる．
5. 今後の予定
本研究では重力源が一つのみの場合であったが，実際には光はいくつもの重力源の影響を受けているはずである．したがって，重力源が複数存在するような時空でのシミュレーションを行うことができれば，より現実に即した結果が得られると考える．
文 献[1] V.T.Toth, S.G.Turyshev, arXiv:2012.05477v1 [gr-qc],(2020).
[2] 西牟田航平, "重力レンズ効果のシミュレーション",
サレジオ工業高等専門学校卒業論文, (2018).
[3] 佐藤勝彦, "相対性理論", 岩波書店, (2006).

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2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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農作物における輸送距離を考慮した生産計画問題
Production planning problem considering transport distance in agriculture
16508 上原 岳人
指導教員 島川 陽一
1. はじめに
近年，地域経済の復興・環境保全を目的とし，地元で生産されたものを地元で消費する「地産地消」の取り組みが全国に広まっている．地産地消が実現すると現在よりも，全体で CO2 の排出量が約１割削減できる[1]と報告されている．
地産地消の生産計画では，総輸送距離および総輸送コストを最小化するモデルが一般的である．今までのモデルでは，生産地における生産効率を考慮することが困難であるため，現実的な地産地消の生産計画とならないことが問題点として挙げられる．
本稿では，地産地消と生産効率を考慮した生産計画アルゴリズムを提案し，発着地を都道府
県，農作物を指定野菜 14 品目と想定した場合の数値計算を行う．
2. 提案する生産計画アルゴリズム
生産計画を立案するときに生産効率が良い地
域で生産を行うことは作付面積の削減に繋がると考えている．この考え方をもとに作付面積と輸送距離の縮小を目的とする生産計画アルゴリ
ズムを提案する．生産地を𝑖，消費地を𝑗とした
場合のアルゴリズムは以下の通りである．
I. 都道府県𝑖の野菜の 10[a]あたりの生産量を降順で与える．
II. 消費地に輸送する場合，消費地から生産地までの輸送距離が短い都道府県𝑖で生産するため，𝑑𝑖𝑗 , ∀𝑖 ∈ 𝑁（地域(𝑖, 𝑗）間の輸送距離）を昇順で与え，輸送距離が短い 5 つの都道府県𝑖を選択する．
III. 消費地に輸送する場合，生産地の生産効率が良い都道府県𝑖で生産するため，Ⅱで与えられた 5 つの都道府県𝑖の中で野菜の 10[a]あたりの生産量が最も多い都道府県𝑖で生産した野菜を都道府県𝑗に輸送する．
III. Ⅰ. ∑𝑗∈𝑁 𝑥𝑖𝑗 ≤ 𝑎𝑖 , ∀𝑖 ∈ 𝑁（都道府県𝑖の栽培面積の上限を満たした場合）となったとき，栽培面積の上限を満たしていない都道府県
𝑖の中で野菜の 10[a]あたりの生産量が最も多い都道府県𝑖で生産した野菜を都道府県𝑗に輸送する．
III. Ⅱ. ∑𝑖∈𝑁 𝑥𝑖𝑗 ≥ 𝑦𝑗 , ∀𝑗 ∈ 𝑁 （都道府県𝑗の消費される量まで生産しなければならない）となったとき，都道府県𝑗で消費される量まで輸送されたため，都道府県𝑗 + 1とする．
IV. ⅡからⅢまでを𝑗 < 47（すべての都道府県）の間，実行する．

3. 数値計算によるモデルの検証
図 1 に提案した生産計画による作付面積の削減率を示す．ほうれんそう，さといも，ばれいしょの作付面積の削減率は 7 割を超えており，
これらの作物は地産地消と適地適作の推進が有効であると考えられる．

図 1 計算前後の作付面積の変化量

図 2 にさといもにおける都道府県間の輸送量を示す．すべての生産地は消費地までの輸送距
離が短い 5 つのうちのどこかに輸送しており，地産地消が実現できていると考えられる．

図 2 さといもの都道府県間の輸送量

4. まとめ本研究では輸送距離と作付面積の縮小を目的とする生産計画アルゴリズムを提案した．
文 献[1] 藤武麻衣, 佐野可寸志, 土屋哲, “野菜の地産地消の推進による CO2 排出削減量の計測”, 農村計画学会誌 30
巻論文特集号, pp.303-308, (2011)‐149‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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Efficient GAN-Based Anomaly Detection
における画像診断精度に関する研究
A study on diagnostic imaging accuracy in Efficient GAN-Based Anomaly Detection
16509 衛藤 勇人
指導教員 内田 健
1. はじめに加工不良の検出に機械学習を用いる際，良品画像に対して不良品画像が少ないことが多い。本研
究では，良品画像のみで学習を行える Efficient
GAN-Based Anomaly Detection[1](以下 EGAN)を用いた画像診断方法を提案する。
2. EGAN による画像診断
機械加工での不良品検出に対して EGAN による画像診断を活用するために，EGAN の画像診断
精度について調査する。
EGAN による画像診断の流れを図 1 に示す。
EGAN による画像診断では，診断対象の画像をエンコーダーに入力しその特徴量をベクトル形式
で出力する。生成器はその特徴量を入力し診断対象の画像を再構成する。EGAN では，正常な画像を入力した場合に入力画像と再構成画像の誤差が最小となるようにエンコーダーと生成器を学習する。EGAN における学習の流れを図 2 に示
す。
画像

構成

正

値が大きくなるように学習する。逆にエンコーダ
ーや生成器は，識別器に正常な画像とその特徴量ベクトルを入力したとき識別器の出力が最小となるように学習を行う。
3. 結 果縦 28 画素，横 28 画素のグレースケールである
MNIST の手書き数字を用いて実験を行う。手書
き数字の 5 を正常な画像，0 から 4，6 から 9 を
異常な画像と仮定し EGAN で画像診断を行う。
図 3 に EGAN に用いる生成器，エンコーダーの構成，また学習に用いる識別器の構成を示す。
エポック数を 10000，
バッチサイズを 32 とする。
ー ー

成

表 の ー
の

ー

の

ール

による
による

ッ 正

ッ 正

による

による
ッ 正

による

に
ッ 正
による

関
表 の ー

画像

によ 画像

成

構成

構成
画像と診断

図 1 EGAN による画像診断の流れ
成

ラ

画像の

成
成

成

成
の

画像と
れ と
るよ に学習

画像

クトル
成

成
の

ー

ットの画像と

ー

ー

成

ー

ー

ットの画像の
クトル

ー

クトルの
ー

画像と
れ と
るよ に学習ットの画像と
の

るよ

手書き数字
れ
の

による

成

ー

ー
率

ール

によ
画像
ットの画像で る

表 1 EGAN による画像診断の正解率
手書き数字
0
1
2
3

れ と
に学習

ットの画像

ー

ットの画像とル 結ル

手書き数字の 5 のサンプル 100 枚とその他の手書き数字のサンプル 100 枚の合計 200 枚のサンプル全体の再構成誤差を求める。それらの再構
成誤差の平均を閾値として定め，正常異常の検出を行う。
画像診断による正解率を表 1 に示す。正解率は全サンプル数に対して正しく分類ができた枚数の割合である。

正解率
ー

の
の

図 3 EGAN で用いるニューラルネットワークの構成

める

構成
正
画像と診断

成

による

に
ッ 正

の

ー ー

成

による

結

正

クトルと

ール

ッ 正

の

ラ

ー

結

れ と
るよ に学習ーー
ットの画像と でる 率

正解率

図 2 EGAN の学習例

EGAN の学習では，まずエンコーダーに正常な画像を入力しその特徴量ベクトルを得ると同時に，乱数を要素とする特徴量ベクトルを生成器に入力し画像を生成する。次に，正常な画像とその特徴量ベクトルの組み，または乱数による特徴量ベクトルとそこから生成される画像の組みを識別器に入力する。EGAN は，正常な画像とその特徴量ベクトルが入力されたときに識別器の出力

0.927

0.930

0.963

0.858

6

7

8

9

0.908

0.921

0.873

0.862

4
0.887

4. まとめEGAN を用いることで，正常画像に対して異常画像が少ない場合にも画像診断を行える。EGAN
による画像診断で不良品の検出するために，
EGAN の画像診断精度を高める必要がある。
文 献[1] Houssam Zenati. “Efficient GAN Based Anomaly
Detection”, ICLR Workshop, 2018‐150‐

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生物の個体数の増減に関する数理モデルとその数値計算
Mathematical models for increase and decrease of populations of organisms and its numericalcomputations
16510 海老澤 勇一郎
指導教員 須志田 隆道
1. はじめに
近年，魚を始めとした人間に捕食される野生の生物の個体数は，減少の一途を辿っている．人間も漁獲制限などの対策を行っているが，個体数の多い生物に対して有効な対策を立てるのは難し
い問題である．この問題に対して生物の個体数を大まかに計算するための枠組みを構築し，生物の個体数の増減に関する数式の理解を進めること
で環境保全のための指針を作ることが研究目的である．
2. 研究のアプローチ
本研究では，生物の個体数の増減に関する数式
として，ロトカ・ヴォルテラモデルと呼ばれる常微分方程式系に着目する．常微分方程式の解を調べる手段として，4 段 4 次ルンゲ=クッタ法を採用する．計算スキームは次の通りである
𝑥(𝑡 + ℎ) = 𝑥(𝑡) + ℎ(𝑘1 + 2𝑘2 + 2𝑘3 + 𝑘4 )/6,
𝑘1 = 𝑓(𝑥),𝑘2 = 𝑓(𝑥 + ℎ𝑘1 /2),
𝑘3 = 𝑓(𝑥 + ℎ𝑘2 /2),
𝑘4 = 𝑓(𝑥 + ℎ𝑘3 )ここで，ℎ > 0である．
4 段 4 次ルンゲ=クッタ法を使用して，生物 3
種の個体数の増減に関する 3 種ロトカ・ヴォルテ
ラモデルの解の振る舞いについて考察する．
𝑑𝑥= (𝑎1 − 𝑎2 𝑥 − 𝑎3 𝑦 − 𝑎4 𝑧)𝑥𝑑𝑡𝑑𝑦= (𝑏1 − 𝑏2 𝑦 − 𝑏3 𝑧 − 𝑏4 𝑥)𝑦𝑑𝑡
𝑑𝑧(𝑐{ 𝑑𝑡 = 1 − 𝑐2 𝑧 − 𝑐3 𝑥 − 𝑐4 𝑦)𝑧
上記の微分方程式から周期解を構築している部分について調べるために，種内競争と自己増殖の項を取り除いた上で種間競争の項の片方を増殖方向に変えて得られる方程式
𝑑𝑥= (𝑎𝑧 − 𝑏𝑦)𝑥𝑑𝑡𝑑𝑦
= (𝑐𝑥 − 𝑑𝑧)𝑦𝑑𝑡
𝑑𝑧
{ 𝑑𝑡 = (𝑒𝑦 − 𝑓𝑥)𝑧を作成した．図 1 はパラメータを以下のように定めた場合に得られる数値解を示す．
𝑎=𝑏=𝑐=𝑑=𝑒=𝑓=1
ここで，初期値を𝑥0 = 2, 𝑦0 = 3, 𝑧0 = 4と固定し，数値計算での時間刻み幅を𝑑𝑡 = 0.001とする．

図 1 標準パラメータのグラフ

3. 研究結果
パラメータ𝑎を増減させた場合の解の振る舞いを観察する． 𝑎 = 2, 𝑎 = 0.5のグラフをそれぞれ
図 2 および図 3 に示す．

図 2 𝑎 = 2のグラフ

図 3 𝑎 = 0.5のグラフ

4. 考察
𝑎のみを変数として他を 1 に固定した際の 3 種の方程式の総和は，𝑑(𝑥 + 𝑦 + 𝑧)
= (𝑎 − 1)𝑥𝑧
𝑑𝑡となり，𝑎 − 1 = 0なら変わらず，𝑎 − 1 > 0なら増加，𝑎 − 1 < 0なら減少するようになっており，研究結果のグラフ通りであることが確認できる．
これを踏まえて𝑏と𝑐の 2 つのパラメータを残してそれ以外を 1 とすると，𝑑(𝑥 + 𝑦 + 𝑧)
= (𝑐 − 𝑏)𝑥𝑦𝑑𝑡の式が出来る．この式から，𝑐 = 𝑏以外に総和が変わらないパラメータは存在しないことが分かる
が，𝑐は𝑎, 𝑒と，𝑏は𝑑, 𝑓とそれぞれの種で同じ役割を持つパラメータであるため，3 種の総和が変わらない条件は，𝑎 = 𝑓, 𝑏 = 𝑐, 𝑑 = 𝑒であり，実際に総和が 0 になる．このパラメータの設定を行え
ば，図 1 が示すように総和が保存された周期解が得られ，三竦みの状態が維持される．
文 献[1] J. D, Murray, Mathematical biology, I. An introduction. Vol.
17, Springer Science & Business Media, 2007.
[2] 巌佐庸, 数理生物学入門-生物社会のダイナミックスを探る, 井立出版, 1998
[3] 柳田英二, 中木達幸, 三村昌泰, 理工系の数理 数値
計算, 裳華房, 2014‐151‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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文章の構成による自動評価とネットユーザーの評価の比較
Comparison between automatic evaluation based on sentence structure and online evaluation by online users
16512 大塚泉春
指導教員 大島 真樹
1. 緒 言本の面白さの評価は,文章の理解ができない[1]などの問題点があるため断念したが,文章の構成という点に着目して,指定した要素を抽出することで,本を評価しようと考えた.
定められた条件を指定して,評価に使えそうなキーワードなどを抽出することで,本の自動評価を行う.また,その AI の整合性を確かめ,整合性を高くする方法を考察する.
数冊の本を評価した際の結果から,結果の平均値などを求めて,評価の基準になるのかを調査する.
文章の構成という点に着目して,各本の特徴(ジャンル別や年代ごとに違い)があるのか調査
し,考察する.
2. 方 法
青空文庫[3]で本の順位(評価)から,本を 20 冊,
約 5 ページ分用意する.次に,ジャンルや年代などの条件ごとに分ける.そして,各本から 4W を抽出する AI を,WebAPI[2]を用いて作成し,実行する.さらに,ネットでの順位が一番高いものを基準(1 位)として,4W を基に文章の構成についてパターン認識を用いて順位付けする.また,本研究で基準とする本は「こころ」である.
順位付けの方法は,基準とした本の 4W のカウ
ント数と,評価する本の 4W のカウント数の差が大きいほど,評価が低くなるように AI を作成する.上記方法を,例として 3 冊の本で評価した場合の図を下記に示す.

図13 冊の本を AI により評価する図

また,評価した際の 4W それぞれの平均抽出数
を用いて,評価する本と 4W それぞれの平均抽出数との差をとり考察する.
本研究は,多くの人が良いという評価を付けた本の構成を基にすることで,構成が良いと仮説した本に似ている文章を見つける研究である.
3. 結 果次の表は,本を評価する AI を作成し,本の特徴などをまとめた表である.色がついている部分

は特徴や,4W 抽出数,順位変動数などの共通点である.
表1

AI により本を評価した結果と特徴

4. 結 言定められた条件と,評価に使えそうな要素を4W とすることで,本の自動評価をすることができた.表 1 から,AI 順位(「こころ」)と,青空文庫
内の順位との差が 3 位以内となった本は 20 冊中9 冊であった.つまり,AI の整合性は 45％で約半分ということが分かった.AI 順位(平均値)と,青空文庫内の順位との差が 3 位以内となった本は20 冊中 8 冊であった.つまり,AI の整合性は 40％で約半分ということが分かる.
評価基準を品詞などについて増やすか,本の文章構成として大事である会話文に着眼することで,AI の整合性は高まると考察する.
表 1 から AI 順位(「こころ」)が,青空文庫順位と 3 位以内だった本は,長編,中編の本はあまり順位が変わっておらず,短編の本の順位が多く変動したことがわかる.これは,基とした本の「こころ」が長編だったことで,4W 抽出数が最初に集中した短編の順位が低くなったと考察する.
表 1 から,ジャンルが日本文学の本は,初出年
代がすべて 1900 年代ということから,日本で本が流行し始めたのは,1900 年代以降ではないかと考察した.
表 1 から,AI 順位(平均値)が,青空文庫順位と 3位以内だった本は,すべての特徴において,同じ特徴が特に見つからない.
そのため,平均抽出数を用いて評価する場合,
前提条件として,同じ特徴を持っている必要があると考察する.つまり,同じ特徴であれば,その特徴内の平均抽出数がわかるので,その特徴内
での,一般的な文章の構成がわかるのではないかと考察する.
文 献[1]”森 邦昭,鈴木 有美, 人工知能「東ロボくん」開発
断 念 か ら の 示 唆 ” https://ci.nii.ac.jp/naid/120006810666
8/18[2]”4W 抽出 WebAPI” http://ap.mextractr.net/demo 8/25
[3]”青空文庫” https://www.aozora.gr.jp/ 8/25

‐152‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

携帯型端末向け LMS アプリケーションを用いた教材の開発と実証実験
The Development of an LMS Platform for Mobile Devices
16513 岡江仁
指導教員 宇都木修一 真島顕子
1. はじめに平成 29・30 年に改訂された学習指導要領では，主体的に判断，行動し，問題を解決する資質・能力を育てるべきとしている[1]．また，現在の日本
政府は未来社会に向け，ICT 教材の導入を推進している．ICT 教材の 1 つとして LMS（Learning
Material System）がある．現状携帯端末向け LMS
アプリケーション（以下，アプリ）は普及しておらず，PC 向けのサービスが一般的である．理由の 1 つとしてタブレット端末の普及率の低さが挙げられる[2]．しかし，近年の普及率の傾向から数年先には PC と同程度に普及すると予測できる．
本研究では，ディスカッション機能を搭載した携帯端末向け LMS アプリを制作する．そして，
LMS としての利便性についてアンケートを行い，振り返り（メタ認知）や主体性など，新たな資質・能力を育成するという観点から，アプリの有用性を考察する.
2. アプリケーションの概要
本研究では，検証用のアプリ「Hatpop」を制作した．Hatpop では教員はディスカッションを行
うための部屋を管理し，学習者は用意された 2〜
3 名用の部屋に入り，チャット形式でディスカッ
ションに参加する．参加者は予め用意された資料
情報入力ページがある場合は資料を入力し，参照
しながら議論することもできる．また，教員はディスカッション内での参加学生の名前表示を本
名か匿名かで選ぶことができる．
3. 検証
検証は私立サレジオ工業高等専門学校の選択
英語 II（5 年）の授業で行った．対象期間は 9 月
中旬から 1 月上旬までの約 4 ヶ月の期間である．
対象学習者は対象授業を受講している 18 名とし，授業では iPad を全員分，同じ機種を貸し出した．
議論形式は表 1 の通りとし，同じ作業を異なる形式で行った後アンケート調査を実施した．
「どちらの形式の方が内容の理解が深まるか」と「どちらの形式の方がより主体的に行動できたか」について使用者を対象にアンケートを行った．
図 1，図 2 は前者を，図 3，図 4 は後者を調査したアンケートの結果である．また，Hatpop の有用性の調査として，「タブレット端末を利用したディスカッションのメリットやデメリット」と「LMS としての教員の操作性」についても同時に調査した．前者は学習者を，後者は教員を対象としたアンケートの結果を基に判断した．
結果には，前者のメリットについては遠隔で行える点や匿名機能によって発言しやすい点が挙がった．デメリットについては，文字を打つのが手間で内容を要約してしまう点が挙がった．後者
は Hatpop の良かった点として学習者にとって馴
染みやすいデザイン性が挙がり，使いづらい点として学習者の行動を把握しづらい点が挙がった．
表 1 授業形式と対象期間
後期中間

後期末

Unit 5

Unit 6

Unit 7

Unit 8

対面

HatpopHatpop対面

図 1 どちらの形式の方が授業内容の理解が深まるか

図 2 チャットを送信する前に文章を読み返すか

図 3 どちらの形式の方が意見を伝えやすいか

図 4 Hatpop の使用感はどうであったか

4. おわりに
ディスカッションにおいて，どちらの形式が総じて優れているかについては，学習者個人の嗜好によって変動するものであった．しかし，アプリ
形式では，意見を文章に書き起こした後，大半の学習者が推敲作業を行なっていることがわかった．推敲作業によって，メタ認知能力が向上する
機会を与えることができていると考えられる．
文 献[1] “高等学校 学習指導要領(平成 30 年告示),” 文部科学省, https://www.mext.go.jp/content/1384661_6_1_3.pdf,
参照 February. 1,2021.
[2] “ 通 信 利 用 動 向 調 査 令 和 元 年 調 査 , ” 総 務 省 ,https://www.soumu.go.jp/johotsusintokei/statistics/data/20
0529_1.pdf, 参照 October. 14,2020.

‐153‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

電源ボタンを認識する機能の試作
Prototype of function to recognize power button
16514 小方 海生
指導教員 大島 真樹
1. 緒

言

表 2 実験結果
ボ タ ン の サ ン プ 正解数 不 正 解 正解率
色
ル数
数
赤
9
9
0
100%
赤以外
6
4
2 約 66%合計15
13
2 約 86%

古い現行の機械を RPA のように自動化する際に、専用の機器の設置や機器の更新で対応するには多額の先行投資が必要だ。そこでどの機器にも搭載されている人間用インターフェースを認識、処理できれば既存のものを流用できるため、少額に抑えることが可能になる。しかし人間用インターフ
ェースは多種多様であり現在研究されているのはエレベーターのボタンを認識・階数表示認識などを試みた研究などのエレベーターを利用するためのもので、転用はされていない。そこで本研究では特徴の多いと考えられるテレビリモコンの電源
ボタンを認識する。

2. 方 法
複数種類のリモコンにおいて電源ボタンを認識できる機能を試作する。また試作したものを使いどの程度認識できているかを評価する。 評
価は認識結果の座標に対応する正解画像の画素が赤い場合正解とする。実験環境は表 1 に示す。
また機能の要件は以下の通りである。
・複数種類のリモコンでボタンの位置を 認識できること。
・認識した結果を正解画像と照合し 評価できること。
・電源ボタンが赤以外でも発見できること。
・サンプルが複数存在すること。
またデータは図 1 のような認識対象と正解の画像のセットを複数用意した。正解画像は認識
対象の画像のうち電源ボタンの範囲を人力で塗ったものであるまた例ではわかりやすくするた
めに認識対象を薄く透かしているが実際はボタン以外は白である。
表 1 実験環境
名称
説明
Python3.8
プログラム言語
OpenCV4.3.0
画像処理ライブラリ
NumPy
行列計算ライブラリ
VSCodeエディター
GIMP

画像加工ソフト

図 2 認識に失敗した画像 図 3 認識に成功した画像
4. 考 察認識に成功した画像より、想定していた特徴を持っていれば複数種類のテレビ用リモコンの画像から
電源ボタンの位置を識別し、指し示すことに成功した。
しかし、電源ボタンに想定していた特徴が当てはまらない場合認識に成功しなかった。
今回では画像では電源ボタンとリモコンの色度が 近いことが原因であると考えられる。
5. 今後の予定
本研究で試作したものは色と場所のみを見ている。そのため色を手がかりに判断できない画像において失敗している。この問題を解決するために周囲やボタン内の図形や文字を手がかりに認識できるよう改良を加えることで精度が向上すると考えられる。
他にも、現状では特徴は人間が考えているため、その特徴の設定を自動化できれば汎用性が生まれると考えられる。
文

図 1 認識対象と、正解画像の例
3. 結 果
実験方法の要件に従い Python のプログラムを試作し、15 件のサンプルで認識できるか実験した。実験したところ表 2 のような結果になった。表 2 ではサンプルを色ごとに評価し、正解数と不正解数を出した。また図 2 は認識に失敗した画像の例であり、図3 は成功した画像の例である。

献[1] 齋藤 昌和 , 川田 浩彦 , 大矢 晃久 , 油田 信一 ,“移動ロボットのためのエレベータ操作表示盤認識,”
ロボティクス・メカトロニクス講演会講演概要集・発行日: 2010 年[2] 日本ノーベル株式会社 “その他の機器（ボタン操作）のテスト自動化 - 自動テストシステム Quality
Commander “[3] 株式会社テクノプロ “Finger1 – テクノプロ・デ
ザイン – まるで、人。タッチパネル機器用自動検証装置”[4] BCN ＋ R “ 薄 型 テ レ ビ 週 間 売 れ 筋 ラ ン キ ン グ“ (2020/11/20 確認)‐154‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

粘菌アルゴリズムによる複数経路の探索に関する研究
A study on finding multiple routes by Physarum algorithm
16515 奥田 真大
指導教員 内田 健
1. はじめに粘菌アルゴリズム[1][2]は，最短経路を探索できるだけでなく，流入出量𝐼（粘菌に流す原形質の量）によって複数の経路を探索できることが分かっている[3][4]．しかし，図 1 に示した計算に使用するパラメータによる経路導出への影響が分かっていない．
そこで，本研究では計算に使用するパラメータと経路導出順序との関係ついて調査する．
パラメータ
経路導出順序は?
流入出量𝐼
ヒル係数𝛾
図1

本研究において明らかにしたいこと

6

2. 粘菌アルゴリズム
節点が𝑁個のネットワーク𝐺 = (𝑉, 𝐸)の始点𝑖𝑛
から終点𝑜𝑢𝑡への最短経路は，図 2 に示す手順で粘菌アルゴリズムにより導出できる．ここで，図3 のように任意の節点𝑖，𝑗間における枝の長さを𝐿𝑖𝑗 ，太さを𝐷𝑖𝑗 ，流量を𝑄𝑖𝑗 ，任意の節点の圧力を
𝑝𝑖 ，𝑝𝑗 とする．
1.初期値の決定⚫
⚫

長さ：𝐿𝑖𝑗
枝の太さ：𝐷𝑖𝑗

2.圧力の計算⚫
⚫
⚫

流入出量：𝐼
ヒル係数：𝛾収束の速さ：𝑎𝑗 = 0,1, ⋯ , 𝑁 − 1に対する式(1)について連立一次従属方程式を解き，すべての節点の圧力(𝑝0 , 𝑝1 , ⋯ , 𝑝𝑁−1 )を計算する．
−𝐼 ⋯ 𝑗 = 𝑖𝑛𝐷𝑖𝑗∑(𝑝𝑖 − 𝑝𝑗 ) = { 𝐼 ⋯ 𝑗 = 𝑜𝑢𝑡
⋯ (1)
𝐿𝑖𝑗
0
⋯
𝑗
≠
𝑖𝑛,
𝑜𝑢𝑡
𝑖∈{𝑘|(𝑘,𝑗)∈𝐸}
3.流量の計算式(2)によりすべての枝の流量𝑄𝑖𝑗 を求める．
𝐷𝑖𝑗
𝑄𝑖𝑗 =
(𝑝 − 𝑝𝑗 ) ⋯ (2)𝐿𝑖𝑗 𝑖
4.太さの更新式(3)より次の太さ𝐷𝑖𝑗 (𝑡 + 1)を求める．
𝛾|𝑄𝑖𝑗 |𝐷𝑖𝑗 (𝑡 + 1) =𝛾 + (1 − 𝑎)𝐷𝑖𝑗 (𝑡) ⋯ (3)
1 + |𝑄𝑖𝑗 |5.繰り返し任意の終了条件を満たすまで，2 から 4 までの計算を繰り返す．
図2

3. 数値実験
図 4 のネットワークの経路導出順序について調査する．各枝の数値は長さ𝐿𝑖𝑗 を表している．ここで，変化の速さ𝑎を 1.0 とする．流入出量𝐼が 0.5と 1.5 のときに，ヒル係数𝛾を 0.5 から 1.2 まで
0.1 刻みで増加させる．また，始点を節点 0，終点
を節点 9 とする．終了条件を計算回数が 100 回に到達するか流量が十分小さくなることによる 0除算の発生とし，図 2 の粘菌アルゴリズムで経路を求めたところ表 1 の結果を得た．
1 9 2 4 33 3
8
7 3 out
4
in
4
4
8
0
4
6
9

粘菌アルゴリズムによる経路探索の手順

𝐿𝑖𝑗

𝑖 𝑝𝑖

𝑄𝑖𝑗
図3

𝐷𝑖𝑗
枝の構成

𝑝𝑗 𝑗

3

5
図4

3

5

9

2

7 4 8

2

実験に使用するネットワーク
表1

経路導出順

導出順
1
2
3

経路
長さ 13：04689
長さ 14：05789
長さ 14：0429
長さ 14：04239
4
長さ 16：0469
5
長さ 19：0569
長さ 16：05689
6
長さ 24：0129
長さ 24：01239
表 1 は，以上の実験を行った結果である．1 番
目から 6 番目に発見される経路までが明らかになった．表 1 より，長さ 15 の経路が導出されな
いこと，4 番目以降が長さの短い経路順に発見できていないことが分かった．
4. おわりに
本稿では，粘菌アルゴリズムにおける経路導出
順序への影響について調査した．経路導出順序は，
概ね経路の長さ順となるが，導出されない経路がある等が分かった．
文

献[1] 小林 亮，“粘菌の経路探索における最適化”，日本
ロボット学会誌，32 巻，6 号，pp．530-535，(2014)．
[2] 中垣 俊之，小林 亮，“原生生物粘菌による組合せ最適化法”，人工知能学会誌，26 巻，5 号，pp．482493，(2011)．
[3] 和泉 功亮，“粘菌アルゴリズムを利用した複数の最短経路探索に関する検討”，サレジオ工業高等専門学
校卒業論文，pp．1-24，(2018)．
[4] 伊藤 祐樹，“粘菌アルゴリズムによる経路導出の分
析”，サレジオ工業高等専門学校卒業論文，pp．1-84，(2019)．
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2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

CFRP のドリル加工における不良品判定法に関する研究
A Study of Discrimination Method for Defective Products in Drilling of CFRP
16517 垣内 悠人
指導教員 宮田 統馬
1. 緒 言CFRP は，工業製品の材料としての優れた特徴を多く持つため様々な分野で広く用いられている[1]．しかし，切削加工時に不良品が発生してしまうため，出荷前に外観検査で不良品を検出することが必要となる．先行研究[2]では，
CFRP にドリルで穴あけ加工した際の不良品判別法が提案された．この方法では，バリの有無
により，開孔部の中心から外周までの距離にばらつきが生じることを利用して，不良品判別を行っている．しかしながら，マイクロスコープ
により，得られた画像の開孔部を対象領域として，モーメント法を用いて，重心を中心とする処理を行ってなっていたほか，画像データから一次元のデータに変換する際に検出する輪郭点の角度は手動で決定していた．本研究では，先行研究での問題点の解決を行い，有効性を示す．
2. 提案手法
本研究では，先行研究[2]での課題である，中心の検出には，現在，計測分野で使用されている最小二乗中心法を使用し，また，一次元のデータに変換する際に，極座標変換を用いることで，手動で決定されていた分割角度から，画像より最小分割角度を決定することができる．以下に提案手法を示す．
1. マイクロスコープにより，図 1 に示す，加工部を撮影したカラー画像を取得する
2. 画像のグレースケール化・二値化を行う．
3. 空間フィルタの一つであるソーベルフィル
タを用いて加工穴の輪郭検出を行う．
4. 輪郭点から最小二乗法を用いて円を近似し，その円の中心を求める（最小二乗中心法）．
5. 検出された輪郭点の極座標変換を行う．二次元の画像データから，角度に対しソートを行い，一次元のデータに変換する．一次元のデータにする際に，輪郭点は等間隔になっていないため，検出する輪郭間の最大の角度を，データをまとめる際の下限の間隔として採用する．これを本論文では最小分割角度と呼ぶ．
6. 中心から輪郭点までの距離のばらつきを求めるために標準偏差を計算する．
図 1 の不良品の加工穴画像から，提案手法にて極座標変換を行い角度に対しソートを行った
画像を図 2 に示す．図 1 での加工部のバリが，
図 2 の抽出した輪郭線のばらつきに現れていることが確認できる．加工部にはバリがなければ輪郭線のばらつきが小さくなることも確認した．
3. 実験結果と結言
ここでは，提案法の有効性の検証を行う．マイクロスコープ UM12(MicroLinks Technology
Corp.)を用いて，解像度 640×480 で撮影された，先行研究[2]で使用されたものと同じ画像を，21枚使用した．本検証で用いた画像群では，提案法を用いると，分割する間隔は 0.3~0.5 度程度となった．また，1 度の角度で分割する結果も示す．提案法で算出した結果を図 3 に示す．図3 より明らかなように良品と不良品の数値の分布が大きく離れていることがわかる．また，この結果は先行研究[2]と同等になっていることを確認した．故に，閾値を用いることで不良品の判別を行うことが可能になる．
文 献[1]北嶋弘一，“バリ取り・エッジ仕上げ技術”，日本工業新聞，2014 年 1 月 9 日[2]丸尾一真, “CFRP のドリル加工におけるバリ検出法の開発”，サレジオ高専平成 30 年度卒業論文，2019‐156‐

図 1. マイクロスコープで撮影した加工部(不良品)

図 2. 画像データから 1 次元データにした結果

図 3. 標準偏差の分布
2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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テクニカル指標による暗号通貨の投資戦略の研究
A Study on Cryptocurrency Investment Strategies using Technical Indicators
16518 川鍋 慎太郎
指導教員 佐藤 豊
1. 研究背景
ビットコイン(以下 BTC)は暗号通貨の中で最も知名度が高く，時価総額と取引量の多い暗号通貨である[1]．BTC は供給される上限があるため，価格が急騰したり急落したりすることがよくある． PayPal は暗号通貨を購入，販売，保持できるようになると発表した．そのためこれからはBTC がさらに需要が出てくることになると考えた．
2. 研究目的
本研究では、BTC の価格データに対してテクニカル指標で分析し，実際に効果があるかどうかを研究する．
3. 研究方法
BTC の価格データは ISO 日時フォーマットとし，CSV ファイルで取得する．
取得した BTC の価格データに R を用いてテクニカル指標を再現し，BTC の価格データに合わせて図として表示する．
本研究で使用するのは RSI と CCI という 2 つのテクニカル指標である．
RSI とは相対力指数のことである．上限は+100で下限は 0 となっている．
RSI を求めるための式は，
A
RSI =
× 100
A+B
となっている．A は N 日間の値上がり幅の平均
で，B は N 日間の値下がり幅の平均である[2]．
次に CCI とは商品チャンネル指数のことである．上限と下限は設定されていない．
CCI を求めるための式は，
CCI = (TP − MA) ÷ (0.015) × MD
TP = �高値 + 安値 + 終値� ÷ 3
MA = TP の N 本単純移動平均
MD = 過去 N 本分の|TP − MA|の平均となっている．N はローソク足が N 本分という意味になっている[3]．
本研究では独自の売買ルールがある．RSI は+70 を超えるか触れたら売りで入り，+30 を下回
るか触れたら買う．CCI は±200 に触れるか超えることで伸びている方向とは逆側に売買する．そして 1 回売買したらポジションを決済するまで
次の売買はできないという条件にしている．
4. 結果
今回研究した期間は 2019 年 7 月から 2020 年の 10 月までの BTC の価格データである。RSI とCCI を BTC の価格データに 1 ヶ月単位で再現し，可視化する．
図１と図 2 は BTC の価格チャートの下に RSIと CCI の値をグラフにして表示している．図 1，
図 2 どちらとも 2019 年 7 月 1 日から 2019 年 8 月
31 日のデータである．

②①

図 1.BTC 価格データに RSI を追加したグラフ
RSI と CCI は買われすぎか売られすぎかを見極めるための指標なので形が似ている．①を見ると RSI と CCI が売買ルールに当てはまっているので売りから入れる．そして②で決済するのだが，RSI は売買ルールに当てはまっていない
ので CCI のみしか売買できないことになる．
5. まとめ本研究では 1 年程度の期間でしか解析していないが，さらに長い期間や実験回数を増やすこと
で正確なデータが取れる．BTC はこれから需要が伸びていくため，投資戦略の研究は重要であると考えられる．
参考文献[1]GMO コイン 用語集 ビットコイン(BTC)[https://coin.z.com/jp/glossary/92.html][2] BUSINESS INSIDER[https://www.businessinsider.jp/post-222730][3]au カブコム証券 第 8 回 RSI(Relative Strength Index)[https://kabu.com/investment/guide/technical/08.html][4]ナビナビ FX[https://navinavi-fx.com/cci-742][5]TradingView BTCJPY 価格

仮想通貨チャート

[https://jp.tradingview.com/symbols/BTCJPY/]‐157‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

Jetson Nano へのバリ検出法の実装に関する研究
A Study on Implementation of Burrs Detection Method on Jetson Nano
16519 川本 智大
指導教員 宮田 統馬
1. はじめにものづくり産業の技術が発展している現在において，生産の現場では加工機を用いて自動で加工を行っており，製品化するためには、不良品検査を行う必要がある．これまでに我々は，CFRP(炭素繊維強化プラスチック)にドリルで円形に穴あけ加工を行った場合に発生するバリに着目し，撮影した画像から，開孔部の重心を求め，そこから輪郭点までの距離のばらつきよ
りバリの有無を判別する方法を提案した[1]．しかし，リアルタイム検出を行っておらず，事前に検出対象を撮影し，PC を用いて処理を行っている．そこで本研究では検出システムの小型化とリアルタイム検出を目的とし，シングルボー
ドコンピュータの 1 つである，Jetson Nano を用いたバリ検出検討を行う．
2. 検出法Jetson Nano とは NVIDIA 社から発売されているシングルボードコンピュータであり，同社から発売されている他の Jetson 機器と比較し安価で入手が可能である．また，Raspberry Pi などの他社のシングルボードコンピュータと比較すると，GPU の向けの汎用並列コンピューティング
プラットフォーム CUDA を搭載しているといった特徴がある[2]．
本研究では，文献[1]で開発された検出法を
Python と OpenCV を用いて実機実装し，次の手順でリアルタイム検出を行う．このとき，Pythonのバージョンは 3.6.9，OpenCV のバージョンは
4.1.1 で行う．
1
Jetson Nano に USB 接続されたマイクロスコープ(MicroLinks Technology Corp 社
CSB MICROSCOPE UM12)で取得した映像より，1 フレームの画像データを取り出す．
2
1 の画像に対して，1 度の角度に分割したときの重心から輪郭点までの距離の標準偏差求め，正規化する．
3
2 の結果を元に正規化された値が 2 以上の場合はバリ有り，2 未満の場合はバリ無しとして判定し，出力する．
3. 検出結果とまとめ15 種類の円形状穴あけ加工された CFRP のサ
ンプル 2 枚を使用しリアルタイムでバリの検出を行った．それぞれのサンプルに対し，解像度
640×480 と解像度 1600×1200 で検出を行い目視での判定と比較する．図 1 は解像度 640×480 で検出を行った場合の出力画面の例である．コンソール上には，標準偏差を正規化した値と，バリの有無が出力される．また，取得した映像と，それを二値化したものをコンソールとは別のウィンドウで表示を行っている．
表 1 に検出結果の一例を示す．ただし，有り
無しはバリの有無を示す．表 1 で明らかなとおり，それぞれの解像度で出力される値には差があるが，この差は小さく，どちらの解像度においても，問題なく判定を行えているといえる．
また，目視との判定結果と比較しても誤りが無いことが確認できる．1 フレームの取得から判定終了までの処理時間は，解像度 640×480 の場
合は 0.056 秒，解像度 1600×1200 の場合は 0.167
秒であった．この結果よりリアルタイム検出を行った場合でも検出の待ち時間はほとんど発生
せず，前述のとおり，目視での検出と差がない
ことから，効率良く検出が行えるといえる．以上のことから Jetson Nano とマイクロスコープ
を用いてドリルにより円形状に穴あけ加工された CFRP のバリ判定のリアルタイム処理が可能であると判断できる．
今後の課題として，GPU を適切に利用するようなプログラミングを行い，更なる判定処理の高速化を行うことが考えられる．
文献[1] 丸尾一真，“CFRP のドリル加工における バリ検出法の開発”，サレジオ工業高等専門学校平成 30 年度
卒業論文，2019[2] Jetson Japan User Group，“Jetson Nano 超入門”，ソーテック社

図 1 リアルタイム検出の出力画面
表 1 リアルタイム検出の検出結果
12
34
解像度/No.
640×480
6.36 7.35 2.73 2.81有り 有り 有り 有り
1600×1200
6.16 7.51 3.07 2.64有り 有り 有り 有り
目視
有り 有り 有り 有り

‐158‐

5
0.81
無し
0.71
無し
無し

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

複数のカメラを用いた物体追跡システム
Object tracking system using multiple cameras
16520 橘野 広
指導教員 宇都木 修一
3. 計 測 実 験
2 つのカメラ間の距離を 500[mm]、1000[mm]、2000[mm]とし、それぞれの距離でカメラの向きの角度を 0°～90°の範囲で＋10°ずつ増やし撮影を行う。追跡結果を図 2～図 4 に示す。
30 %
20 %

相対誤差

1. 緒 言物体追跡技術は監視カメラにおいて重要な技
術の 1 つである。カメラを用いた物体追跡シス
テムは、撮影した画像から物体を検出し、同一物体を追いかけ続けることで、物体の動線や行動を分析することができる。本研究の目的は、複数の RaspberryPi にそれぞれカメラモジュー
ルを装着し、多方向から物体を撮影することで死角をなくし、物体の移動をリアルタイムで逃さず物体追跡することである。本研究を監視カメラに応用することで、不審者をカメラ映像から自動で追跡できるようになる。

10 %
0%

2. 物 体 の 座 標 の 取 得
物体の座標取得方法は次の通りである(図 1)。

0° 10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 90°
カメラ自体の向きの角度
横方向の誤差縦方向の誤差図 2 カメラの距離 500[mm]における座標の誤差

相対誤差

30 %
20 %
10 %
0%

0° 10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 90°
カメラ自体の向きの角度
横方向の誤差縦方向の誤差図 3 カメラの距離 1000[mm]における座標の誤差
30 %

図 1 物体の座標取得方法

20 %

相対誤差

はじめに 2 つのカメラから物体を同時に撮影する。RaspberryPi 上で撮影した画像から算出す
る角度は、カメラの光軸の向きを0°として、左側に設置したカメラは反時計回りを正とし(図 1の𝜃𝜃𝑎𝑎 )、右側に設置したカメラでは時計回りを正とする(図 1 の𝜑𝜑𝑎𝑎 )。また、カメラ自体の向きは、
カメラどうしを結んだ直線と、それぞれのカメラの光軸とのなす角で表す。なお、左に設置したカメラは左向きを0°として反時計回りを正とし(図 1 の𝜃𝜃𝑏𝑏 )、右に設置したカメラでは右向きを0°として時計回りを正とする(図 1 の𝜑𝜑𝑏𝑏 )。
RaspberryPi のカメラから物体への向きの角度は、図 1 の𝜃𝜃 と𝜑𝜑にあたる。𝜃𝜃 は𝜃𝜃𝑎𝑎 と𝜃𝜃𝑏𝑏 を足した
値、𝜑𝜑は𝜑𝜑𝑎𝑎 と𝜑𝜑𝑏𝑏 を足した値である。RaspberryPi
は PC とサーバークライアント通信[1]によって繋がっており、算出した角度𝜃𝜃と𝜑𝜑のデータをPC へ送る。PC で送られた角度を元に物体の座標を算出することで、物体の追跡を行う。

10 %
0%

0° 10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 90°
カメラ自体の向きの角度
横方向の誤差縦方向の誤差図 4 カメラの距離 2000[mm]における座標の誤差

4. 結 言計測の正確性を検証したところ、カメラの向きを 0°～10°,70°～90°に設定した場合、横方向の平均誤差は 12.7 %、縦方向は 15.5 %と大きく誤差が生じるが、20°～60°に設定した場合、
横方向の平均誤差は 5.3 %、縦方向は 6.2 %と誤差を抑えることができた。
文 献[1] 竹下隆史, 村山公保, 荒井透, 苅田幸雄, マスタリン
グ TCP/IP 入門編 オーム社, 東京, 2019‐159‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

自動車の右左折時の障害物抽出
Extraction of obstacles when turning left or right of a car
16523 古郷 貴大
指導教員 川村 春美
1. 緒 言近年，不注意による交通事故を減らし，運転をサポートする技術として，運転支援システムの開発が進んでいる．一般的に搭載されている
運転支援システムには，車両周辺の障害物との接近をレーダーや超音波センサーで検知し警告音で運転者に知らせるものがある．しかしながら，障害物の種類の識別には至っていない．
そこで，本研究では，右左折時に物体に接近時の障害物を，ガードレール，ポール，人の 3種類とし，SSD(Single Shot MulitBox Detector)[1]という物体検出手法を適用し，検出・識別可能性を検証することを目的とする．
2. 研究手法
提案手法は，学習用画像の生成と学習，および対象物の識別から構成される．
「学習」では，対象物体に関する数多くの画像を学習させるため 6 種類の画像加工をした上で SSD により学習する．識別も SSD を用いる．以下に各手法の概要を説明する．
2.1. 学習
カメラ映像にて想定されるシチュエーションを再現するため，表 1 に示す 5 種類の画像加工とそれぞれの反転画像を作成する．処理の種類と想定される場面の関係を表 1 に表す．
表 1 画像加工と場面の関係処理
コントラスト増減
ガンマ変換
平均化フィルタ
ガウシアンノイズ
Salt&Pepper ノイズ
反転場面

れたデフォルトボックスとの距離であり，クラス予測は，デフォルトボックスに囲われた物体が，所定のクラス (ガードレール，ポール，人)における物体らしさを表す．
障害物の検出可否を検証するため，インターネットから入手した障害物が写る動画と自分で撮影した動画を用いて提案手法を適用する．実験では日照条件による影響も検証するため，通常時と日没の二つの時間帯に撮影した動画を用
いる．
検出可否は入力画像内の対象物体に対して最終的に残ったバウンディングボックスの有無で判定する．検出精度は，得られたバウンディン
グボックスの予測値の平均とする．
3. 結 果ガードレール，ポール，人物の検出精度を以下の表 2 に示す．

通常時
日没時

ガード
レール
93%
96%

表 2 障害物検出精度
可
可
ポール
否
否
1
80%
1/3
1
77%
1

人物
86%
94%

可
否
4/8
4/5

表 2 より，日照条件に関わらず，各障害物を高い精度で検出できているが，複数の物体が含まれる場合に検出漏れが発生する(図 2)．ガード
レールの検出結果を図 1， 複数物体の検出結果
を図 2 に示す．

天候などの明るさの変化に対応
車両移動時の画像のブレを再現
車両移動時のブレ，汚れを再現

図 1 障害物検出結果

右左折を想定作成した画像にアノテーションツールでラベ
ル名「guardrail」，「pole」を付け，アノテー
ションデータを作成する．人物画像にはラベル「person」付きデータセット Pascal VOC2010
を用いる．得られた学習データを用いて SSD にて学習させる．
2.2. 物体検出手法
SSD は一度の CNN 演算で物体の位置推定とクラス分類を行うため，物体検出処理の高速化が可能である．デフォルトボックスというアスペクト比，サイズの異なる計 8732 個の矩形の枠を画像中に満遍なく配置し，各デフォルトボッ
クスに位置予測とクラス予測という二つの評価基準を設ける．位置予測は，対象物体と予測さ

図 2 複数物体の検出結果

4. 結 言運転支援システムにおける障害物の識別を，様々な状況に対応する加工を施した画像を SSDで学習させることで，ガードレール，ポール，
人の 3 種類の識別を行う手法を提案した．実画像を用いた実験の結果，各障害物を検出できることが確認された．しかしながら，画像内に対象物が複数ある場合には，検出漏れが発生するケースが見られた．
今後，人と障害物の同時識別を行うため，学習モデルの併合を行う予定である．
文 献[1] Wei Liu，Dragomir Anguelov，Dumitru Erhan，other，”SSD:Single Shot MultiBox Detector”，Computer Vision
and Pattern Recognition-ECCV，pp.21–37，2016‐160‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

ネットワーク型並列数値計算アルゴリズムの性能評価
Performance evaluation of network-type parallel numerical computation algorithms
16524 権 奈悟
指導教員 須志田 隆道
1. はじめに近年，さまざまな数値計算に大規模な数値計算が存在するこの大規模な計算を行うためにはスーパーコンピュータが必要になる．しかし，スーパーコンピュータを一般で使用することは難し
く，大学や企業でないと使用できないという問題がある．そこで，複数の安価の PC を組み合わせて並列計算することを考える．それにより，スーパーコンピュータには及ばないものの，高い性能を有すると期待することができる．
本研究の目的は，複数台のマルチコア計算機を使用して行列と行列の積の並列化を行い，より高速化を目指すことである．また，さまざまなアル
ゴリズムを比較して，どのアルゴリズムが最も効率よく計算を行えるかを見つけることである．
2. 研究方法
本研究は𝑁 × 𝑁行列の行列と行列の積を様々なアルゴリズムで並列化を行う．使用したアルゴ
リズムは主に，SUMMA(Scalable Universal Matrix
Multiplication)のアルゴリズムと完全分散並列化である．完全分散並列化は，片方の行列をプロセス数で分割して，分割したデータをプロセス間で共有することにより，計算時間が早くなり，メモリ不足が解消されるアルゴリズムになる．
SUMMA のアルゴリズムは小行列に分割してマルチキャストのみで実装するものである．これは小行列がキャッシュアクセスのみで完結することができるため，高速化が期待されるアルゴリズ
ムである．
並列化を行う環境として，マルチスレッド PC
を複数台接続して計算を行う．計算方法として，マスターの PC からそれぞれの並列計算機に接続し，計算を割り振る仕組みになっている．並列計
算機は 12 スレッド 4 台，8 スレッド 2 台の合計
64 スレッド，6 プロセスで行う．
並列化には OpenMP と MPI という API を使用
してアルゴリズムを実装する．
OpenMP と MPI を組み合わせることにより，本環境で並列化を実装することができる．
3. 研究結果
図 1 は4000 × 4000行列の積を，シングルスレ
ッド，
12 スレッドの計算機を OpenMP で並列化，
MPI を用いた 4 プロセスと 6 プロセスの並列化，完全分散並列化で全ての CPU を使用したハイブ
リッド環境での並列化，SUMMA のアルゴリズム
を 6 台の計算機で並列化を行った時の実行時間を比較したグラフである．

図1

アルゴリズムごとの並列化の比較

図 1 から，全ての CPU で並列化を行った時とシングルスレッドで実行した時を比べると，約28 倍の台数効果が得られた．また，SUMMA のアルゴリズムはプロセス数が大きいほど細かい
小行列に分けることができるので，64 プロセス
で実験を行った．
全ての CPU を使用して完全分散並列化を行ったときの並列化効率を図 2 に示す．

図2

完全分散並列化を行った時の並列化効率

図 2 より一定の並列数を超えると並列化効率が下がっていることがわかる．スレッド数や並列数，マシンの性能によって，並列化の効果を得られる並列数が決まっていることがわかる．
4. 考察
MPI でのプロセス間通信では OpenMP よりも通信時間がかかるため，最大の並列化効率が低くなっていると考える．また，OpenMP の場合は共有メモリで完結するため最大並列化効率は高くなるが，並列数を増やすとメモリ不足になるため，並列化効率が下がるのではないかと考える．また，
SUMMA のアルゴリズムの並列化では，実行時間が最も速いが，多くの小行列に分割するため，プロセス数が増えることになり，並列数を増やすごとに並列化効率が下がっていると考える．
文 献[1] 片桐孝洋, “スパコンプロラミング入門”, 東京大学出版会 (2015)‐161‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

最小限必要とされる介護施設の施設数の試算:
2040 年の東京都を事例として
An Estimate of minimum number of nursing-care facilities in case of Tokyo district in 2040
16526 斎藤 風雅
指導教員 島川 陽一
1. 研究背景及び目的
現在，
日本では少子高齢化が深刻化している．
東京都も例外ではない．
高齢人口の増加により，要支援・要介護認定者の増加による介護施設の不足が考えられる．そのため，現在の介護施設
数では十分に要支援・要介護認定者を収容できなくなる可能性がある．
本研究では，2040 年時点での要介護認定者(以後「認定者」)の人数を予測し，その時点での認定者を全て収容できる最適な介護施設数を算出する．ここでの「最適」とは，超過の最小化を指す．本稿ではそれぞれ特徴の異なる足立区・八王子市・多摩市を対象の地域として施設数を試算する．
2. 問題の定式化
介護施設は 8 種類に分類され，認定者は 5 段
階のレベル(以後要介護レベル)に分けられる．
入居できる施設は認定者自身の要介護レベルによって変化する．
𝑖番目の種類の施設の施設数を𝑥𝑖 (𝑖 = 1, ⋯ ,8)，
要介護レベル𝐾(𝐾 = 1,2)で種類𝑖の介護施設の収容人数を𝑎𝐾𝑖 ，地域の要介護レベル𝐾の認定者数を𝑦𝐾 とする．ここで要介護レベルは程度を基準に「要介護 1,2」および「要介護3, ⋯ ,5」の 2つに分けるものとする．また， 𝑋1 , ⋯ , 𝑋8を既存の施設数とすると，この問題は以下のように定式化される．
目的関数
8𝑍 = ∑ 𝑥𝑖𝑖=1

この式は各施設の合計，つまり総施設数の最小化を表している．
制約条件
8∑ 𝑎𝐾𝑖 𝑥𝑖 ≥ 𝑦𝐾 , 𝐾 = 1,2, 𝑖 = 1, ⋯ ,8
𝑖=1

施設数分の収容人数は認定者の総数以上になるようにする．言い換えると，全ての認定者が全員入居できる量の施設を用意する．
𝑥𝑖 ≥ 𝑋𝑖 , 𝑖 = 1, ⋯ ,8
この制約条件は，既存の施設は将来に渡って使用し続けることを意味している．𝑥𝑖 は既存の施設数未満になることはない．

𝑥𝑖 ≥ 0, 𝑖 = 1, ⋯ ,8
これは，施設数の非負条件である．
3. 計算結果
線形計画法を用いて，対象とした地域の予想される認定者数，および既存の施設数をもとに，
2 節にて定式化した問題の計算を行う．その結果を表 1 に示す．
表 1 予測される施設数
施設の種類
足立区
八王子市
1,320
1,001
合計
介護付き有料
21
15
老人ホーム
住宅型有料
853
845
老人ホーム
サービス付き1918
高齢者向け住宅
30
20
グループホーム
6
0
ケアハウス
特別養護
373
91
老人ホーム
介護老人
14
8
保健施設
4
4
介護医病院

多摩市
212
7
144
3
5
3
47
2
1

4. まとめこの研究では，2040 年時点での認定者数を予測し，その認定者全員を収容できる最小の施設数を算出した．この結果を踏まえ，今後この研究をもとに行っていきたい内容が，大きく分けて 2 つある．
1 つ目は，問題の計算の際に介護施設を必要とする認定者の割合を考慮することである．入居のための費用や，認定者自身およびその家族の意思により介護施設に入居しない認定者もいるので，そのことも考慮できると考えている．
2 つ目は，要介護認定者のみならず，要支援認定者も収容できる施設数を算出することである．現在の方法では算出時の施設数に偏りができる原因が残っている．施設数の算出時に要支援認定者の人数も考慮することにより，より現実的な試算の結果が期待できる．
文 献[1] 永野 茂，大山 達雄：「高齢者保健福祉サービスの地
域間格差最少と最適施設設置に関する数理計画モデ
ル分析」，オペレーションズ・リサーチ，Vol.45(2000)，
No.12，pp.655-663．
[2] “老人ホームを東京都から探す”，みんなの介護，2020-01-03 ， https://www.minnanokaigo.com ， ( 参 照2021-01-03)‐162‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

2 光源環境下での影領域の除去
Removal of shadow regions under two light sources
16530 シモーネ 琉加
指導教員 川村 春美
1. 緒 言画像処理分野，特に物体領域の抽出においては，影の領域を物体の一部として誤認識することがあり，影の除去手法が検討されている．
森田らの研究[1]では 2 光源環境下での影領域の除去手法が提案されているが，一方のみの光源による影（半影）が重なる領域を物体領域として検出されるという欠点（図 1）がある．
そこで本研究では，半影が重なり合う領域
を影として正しく認識し，除去精度を向上させることを目的とする．

3. 実 験
光源を 2 種類とし，右から昼光色の光，左から電球色の光を照射して画像を撮影する．本研
究で使用した入力画像を図 5 に示す．
クラスタ数を 7 とした実験結果を示す．図 6は k-means 法で日向領域と陰影領域を分けた画像，図 7 は影領域を除去した出力画像である．

図 5.入力画像

図 1. 2 光源環境下での影除去結果例[1]2. 研究のアプローチ
1 光源環境下の画像からの影除去法[2]を 2 光源に拡張することを考える．1 光源下の手法では，同一色領域の日向領域と陰影領域の画素値
が，図 2 に示すように，RGB 空間において同一のベクトル上に乗ることを利用し，陰影領域を
日向領域に射影することで陰影領域の除去を行う．2 光源下の画像の場合も，図 3，図 4 のグラ
フに示すような分布になると想定されるため，同様の手法で陰影除去が可能であると考える．
また実験には k-means 法を用いてクラスタリ
ングし，陰影領域に対応する箇所を日向領域に射影することで陰影の除去を検討する．

図 2. 1 光源下画像からの陰影除去の仕組み[2]図 3. 半影の画素値分布

図 4. 半影が重なった領域の分布

図 6. k-means 法で日向領域と 図 7. 影領域を除去した
出力画像
陰影領域を分けた画像

図 6 において，水色と青色の領域を陰影領域と指定して変換を行った結果，図 7 に示すように半影が重なった領域を除去することができたが，除去しきれていない部分が所々見られる．
4. 結 論
同一のテクスチャの領域における日向領域と陰影領域が RGB 空間においてほぼ同一の直線
上のクラスタになるという特性を利用し，2 光
源下の画像から陰影領域を除去する手法を提案
した．実画像を用いて実験を行った結果，除去しきれていない部分が所々見られるが，半影が重なった領域を除去することができることを確認した．
5. 今後の予定
今後，k-means 法の最適なクラスタ数の決定，
陰影・日向領域のクラスタ内分散の調整，および，陰影除去画像におけるクラスタ間の色分布の補正を行う予定である．
文 献[1] 森田順也，岩井儀雄，谷内田正彦，”室内における背景画像の推定と影の除去”，情報処理学会論文誌，vol.44, no.9 (CVIM 7), pp.105-114, 2003
[2] 馬場雅志，椋木雅之，浅田尚紀，”色分布のクラスタ解析による実写画像からの陰影除去”，画像電子学会
論文誌，vol.33, no.4-B, pp.531-538, 2004

‐163‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

クラシック音楽で求められるトランペットの音色の特徴解析
Characteristic Analysis of Trumpet Tone Required for Classical Music
16532 諏訪 大介
指導教員 宮田 統馬
1. はじめに楽器演奏における音色には，良い音が鳴っているか聴き分けて演奏者の技術力を判断する材料となる役割がある．良い音は第 3 者の主観によって判断されており，良い音とされる音色の具体的な基準が存在しないと考えられる．トラ
ンペットに着目すると，演奏ジャンルによって音色を変える際に口腔内の形状を変化させることがある．そこで，ある音色での口腔内の形状がどのように音色に作用するか着目することで特徴を得られると考えた．本研究では，ケプストラム解析を用いてトランペットのクラシック
音楽で求められる音色の特徴について解析を行う．
2. 解析方法
ケプストラム解析は，音声から畳み込まれていた声帯が発する音源信号と，声道の伝達関数
を信号の低次成分と高次成分に分離して抽出することができる性質を持ち，これを利用して，音声認識などに利用されている解析手法である．
また，ケプストラム解析の流れは，音信号にフーリエ変換を施して得られたデータの絶対値に対して対数をとり，更に逆フーリエ変換を施すことで求めることができる[1]．
音声は，声帯が振動して発した音源信号に対して伝達関数である声道が音色を付与したものである．これをトランペットに置き換えたものを図 1 に示す．図 1 のトランペットの楽音である
は、 を畳み込みとして，

サンプリング周波数を 192kHz とし，7∼13 秒吹
鳴し 3 種類の音高で収音した．ここではそのう
ちの 1 つである，音高名 LowBb( =233.7)の演
奏者 A のデータにケプストラム解析を行った結果を示す．ただし，本研究ではフーリエ変換として FFT を用いる．また，FFT 点数を N=131072
点とする．
演奏者 A のデータにおけるケプストラムの高次成分から取り出した の値は，クラシック音
楽に求められる音色のとき =233Hz で，クラシック音楽に求められない音色のとき =236Hzであったことから，音色が異なる場合でも基本
周波数は大きく変化しないことがわかった．また，低次成分を 197 次で表現したスペクトル包
絡を，クラシック音楽で求められる音色を図 2に，クラシック音楽で求められない音色を図 3に示す．図 2，3 より，2 つの音色における違いが，3000Hz 付近にピークとして現れることをはっきりと確認することができた．他の演奏者，
音高においても低次成分の 3000Hz 付近にピークが見られるなど，同じ傾向がみられた．
4. おわりに本研究では，ケプストラム解析を用いること
でクラシック音楽に求められるトランペットの音色の特徴を捉えることができた．
文 献[1] Miyazawa’s pukiwiki, “メル周波数ケプストラム（MFCC）,” 2019 年 11 月 07 日更新
http://speechresearch.fiw-web.net/66.html

音声と同じくとの畳み込みで表現することができる．このことから，トランペットの楽音に対してケプストラム解析を行うことで，音声と同じように音源信号と伝達関数を分離することができると考えられる．そこで，=233.7Hz の音高を演奏したトランペットの音
データに対してケプストラム解析を行うと，分離した基本周波数が音高の値と一致した．このことからケストラム解析を用いると，トランペ
ットにおける唇の振動が発生させる基本周波数と，低次成分に口腔内と楽器本体の特性がまとまった伝達関数を得ることができる．
3. 結果
本研究では，本校の吹奏楽部に所属するトラ
ンペット演奏者 A，B ，C の 3 名に協力してもらい，全員からクラシック音楽で求められる音
色，演奏者 A から音楽で求められない音色を，‐164‐

図 1 音声の仕組み

図 2 クラシック音楽に求められる音色の包絡線

図 3 クラシック音楽に求められない音色の包絡線

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

雪合戦エージェントの作成
Creating artificial intelligence agents for snowball fights
16533 高橋誠
指導教員 大島 真樹
1. 背景
冬の雪の積もった屋外で子供も大人もやる相
手に雪をぶつける遊び雪合戦で有利に立ち回る
方法を知りたいと思い、公式の雪合戦では相手に雪玉を当てることで相手を退場させ有利になる。
2. この研究における補足事項
この研究は軍事などにも応用が可能だが、本実験では雪合戦での最適な投球方法、戦略の研究のみを想定しており、軍事目的での研究でない事をここに示す。またこの研究を軍事研究への応用を禁ずるものとする。
3. 研究方法
実験は Unity2018.4.5f1 で行う。公式ルール[1]に則ったコートで行う。1 チームにつき目的地へ移動する前衛 4 人、その場で投擲を行う後衛
3 人で構成 その 2 チームで計測を行う。
赤チームは最短の相手に常に最短一定の角度、力で投げる。
青チームは最短の相手の命中時の移動先を予測しそこに命中するような力で投げる。
1 チーム 90 発投げた時の命中数で計測、これを 10 回繰り返した平均値を結果とする。

常に高く、移動する敵に多く当てることが出来た事から移動する的に雪玉を当てることができる AI として十分な機能を持っていると言える。
6. 今後の展望
移動する相手に対して雪玉を命中させることができる AI を作れたため、回避行動や相手 AIの移動を実際の雪合戦の公式ルールを想定した動きをできるようにし、その AI で雪玉を命中させることができる投球 AI を作成していきたい。
参考文献[1] 公式ルール｜一般社団法人 日本雪合戦連盟
http://jyf.or.jp/member/rule/[2]神戸女子学院 機関リポジトリ｜高等学校物理基礎と物理における重力による運動の有効な指導法ー初速度の向きに基づく運動の分類ー神戸女学院大学教職センター研究紀要,中川 徹
夫 ,2018-01-31https://kobe-c.repo.nii.ac.jp/?action=pages_vi
ew_main&active_action=repository_view_main_item_detail&item_id=5603&item_no=1&page_id=33&block_id=148[3]ロックオンとは コトバンク
https://kotobank.jp/word/%E3%83%AD%E3%83%83%E3%82%AF%E3%82%AA%E3%83%B3-663761[4]同時弾着射撃とは何？ Weblio 辞典
https://www.weblio.jp/content/%E5%90%8C%E6%99%82%E5%BC%BE%E7%9D%80%E5%B0%84%E6%92%83[5]【Unity】Rigidbody を使い、放物線を描き、目標の地点へ https://www.urablog.xyz/entry/2017/05/16/235548

図 1：実験開始時の配置図

図２:公式ルールのコートの図

4. 実験結果
実験結果を下の表 1 に示す。
表１

実験結果

投擲数
命中数
命中率
84.5
93.9%
味方チーム 90
90
10.7
11.9%
敵チーム
表 1 の命中数は目標（青チームは赤チーム、
赤チームは青チーム）に命中した数、命中率は命中数を投擲数で割り％表記にしたものを示す。
5. 結論
表１より味方チームの命中率は 9 割以上と非‐165‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

画像解析による生地等の素材の判定
Determination of materials such as fabric by image analysis
16535 谷本 陽祐
指導教員 川村 春美
1. 緒 言近年、インターネットの発達に伴い、インターネット通販が急速に発展したが、その欠点の一つとして、「購入前に商品を実際に手にとって触れることができない」という点が挙げられる。衣服であれば、触り心地などといった感触的情報は掲載情報から判断するしか選択肢は存在しない。そこで、今回は衣服に着目し、画像という視覚的情報から感触的情報を得て、その商品の素材を推論する手法について検討する。
2. 方 法
従来の手法として、布地だけが写った画像をパターン認識により分類する手法が挙げられる。
文献[1] の手法では、機 械学習の評 価関数 にCenter Loss[2]を用いることで、識別の困難な布地を高精度に識別している。また、サンプリン
グ面積が大きいほど認識精度が上がることも明らかになっている。しかしながら、入力画像にノイズが含まれた場合の精度低下や、近距離で撮影した布地画像が必要となることに伴い、適用範囲が限られるという点が課題である。
布地のパターンは差異が極小であり、かつ高解像度な入力画像が必要となるため、本研究の目的をパターン認識だけで実現することは困難であると考えられる。本研究では遠くから撮影した入力画像にも対応させるため、二通りの判定手段を用い統合する。
一つ目はパターン認識である。入力画像から布地領域を抽出（領域分割）し、機械学習によるパターン認識を行う。領域分割には不定形領域の抽出が可能な DeepLab v3+[3]を用い、布地
領域の切り出しを行う。布地のパターン認識に
は機械学習の一つである VGG-16[4]を用いる。
二つ目は布地の質感表現の推定である。入力
画像から質感を推定し、その質感から連想される布地の種類を、自然言語処理を用いて推論する。質感の推定には、質感画像を学習させた
VGG-16 のネットワークを用いる。自然言語処
理には Word2Vec という単語をベクトルで表現
し定量化する手法を用いる。この手法により単語間の関係性を把握することができる。
精度の評価には、一つの物体に対しカメラとの距離、光源を 2 段階ずつ変化させた入力画像
から推論した結果を用いる。
3. 結 果
入力画像に対する推論結果の成功例と失敗例
を表 1 に示す。

表 1. 成功例と失敗例
入力画像

光源

距離

太陽光 160cm
成
功
例

LED
電球

30cm

太陽光 30cm
失
敗
例

LED
電球

160cm

布地領域

推論結果
正解
パターン
Cotton認識
Cotton
質感推定 braided
結果
Cottonパターン
Polyester
認識
Polyester
質感推定 grooved
結果
Polyesterパターン
Cotton認識
Polyester
質感推定 potholed
結果
Cottonパターン
Cotton認識
Polyester
質感推定 braided
Cotton結果

表 1 より、布地の明度が極度に明るい場合や暗い場合に、推論結果の精度が低下することがわかる。また、服の色や皺によるパターン認識の精度への影響も見られた。特に、黒い衣類からは布地のパターンを鮮明に得ることができず、推論が困難であることが分かる。
4. 結 言布地のパターンが鮮明に得られる撮影条件下においては高い精度を発揮することができた。
一方で、撮影条件や服の状態に大きく左右される傾向も見られた。また、撮影した画像に対するパターン認識の困難さを補うために質感表現を判定手段に加えたが、多数の布地が推論され、パターン認識の精度に大きな影響を与える結果となった。
5. 今後の予定
布地パターン認識の精度向上を図ると共に、質感表現の推論と自然言語処理の改良、および、撮像条件による影響をフィルタ処理等で低減することで入力画像の制約条件を緩和し、実用性の向上に努める予定である。
文 献[1] W. Xin, W. Ge, Z. Yueqi, “Fabric Identification using
Convolutional Neural Network,” Artificial Intelligence on
Fashion and Textiles, pp. 93-100, 2019.
[2] W. Yandong, Z. Kaipeng, L. Zhifeng , Q. Yu, “A
Discriminative Feature Learning Approach for Deep Face
Recognition,” European Conference on Computer Vision(ECCV), pp. 499-515, 2016.
[3] C. Liang-Chieh, Z. Yukun, P. George, S. Florian , A.
Hartwig, “Encoder-Decoder with Atrous Separable
Convolution for Semantic Image Segmentation,”
arXiv:1802.02611, pp. 1-14, 2018.
[4] S. Karen , Z. Andrew, “Very deep convolutional networks
for large-scale image recognition,” Proceedings ofInternational Conference on Learning Representations
2015, pp. 1-14, 2015.

‐166‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

Web から得られるオルタナティブデータを利用した喫茶店の属性分析
An analysis of area marketing for coffee shop using alternative data obtained from the web16536 反町拳志朗
指導教員 島川陽一
1. はじめに
純喫茶と呼ばれるような昔ながらの喫茶店は
店舗数が年々減少の傾向にある. 一方，市場規模の点から見ると，日本のコーヒーの市場規模は約３兆円にもなり，コーヒー国内消費量は年々増加の傾向にある．本稿では web 上から得られる店舗
データを統計解析学の数量化 1 類を用いて分析
し商圏分析を行う．各店のレビュー数を需要と捉え，web 上から得られる席数等の店舗データからどのような要因が喫茶店の需要に影響を与えているかの分析を行う．町田駅から 10km 以内の喫茶店とカフェについて web で得られる店舗のデータを用いて解析を試みる．
2. 研究のアプローチ
2.1 データ作成の概要
本稿で用いる喫茶店，カフェのみを集め都合よく整理されたデータは存在しない．従来ならば人力を用いて調査会社がデータを作成するのが常であるが，本稿ではインターネットからデータを機械的に集め、情報を抽出するプログラミング技術であるスクレイピングを活用して Google，食べログからオルタナティブデータを複数入手する．
目的変数であるレビュー件数には Google によるデータを採用し，食べログの店舗データを説明変数とする．データの統合は電話番号の比較により行う．
2.2 問題設定
店舗𝑖のレビュー件数𝑦𝑖 は表 1 に示す説明変数
で与えられると仮定する．
種族

表 1. 変数の定義
変数
データ内容

種類
量的

従属変数

𝑦𝑖

レビュー件数

説明変数

𝑥𝑖𝑗

アイテム

𝑖=1

席数

量的

𝑖=2

開業年代

質的

𝑖=3

価格

質的

𝑖=4

駅からの距離量的

𝑖=5チェーンか否か

質的𝑖=6

純喫茶か否か

質的

偏回帰係数

𝑏𝑚

(𝑚 = 0，1，2，. . . ，𝑛)

残余ε𝑖𝑦𝑖 = ∑ ∑ 𝐴(𝑗, 𝑘)𝛿𝑖 (𝑗, 𝑘) + 𝜀𝑖
𝑗

(1)

𝑘

本稿ではすべての変数を質的変数として数量化を行う場合，一部の変数を量的変数として数量化を行う場合について分析を行う
3. 結 果一部の変数を量的変数として数量化を行った結果を表 2 に示す．
表 2. 数量化一類による検証結果(質的・量的)
説明変数

カテゴリ サンプル数

席数(席)

量的変数
2000 年以前

開業年代

価格帯

係数

104

1.3415402010 年代

41 35.1179

2020 年代

2 -48.3272

不明

57 10.8515~999 円70 24.7399

1,000~1,999 円

25

2,000~2,999 円

2 -43.9709

不明

7

0
0

駅からの距離(m)

量的変数

チェーン店か
否か

1:チェーン店

53

0.864

0:個人経営

51

0

1:喫茶店

13

5.4973

0:カフェ

91

0

喫茶店か否か104 -12.329

4. おわりに
従来の手法で商圏分析を行うには相当のデータ数が必要である．本稿で用いたオルタナティブ
データでも，傾向程度なら予想できることが分かる．席数が多ければレビュー数を獲得しやすい，
駅から離れるにつれてレビュー数は減少する，価格は安い方が集客しやすい等と直感的に分かりそうな事が数字として表れている．説明変数に不明が多い店舗は，レビュー数の獲得が少ない傾向にある．このことから web の積極的な利用は集客につながる．
文 献[1]石村友二郎，”重回帰分析のグラフ表現法”，計算機統計学第 26 巻第 2 号，pp.93−103,(2011).
[2]林知己夫，”数量化理論のできるまで”，日本オペレーションズ・リサーチ学 会 誌[12 月号] ，pp.728734(1986)

店舗𝑖のレビュー数𝑦𝑖 は𝐴(𝑗, 𝑘)を各変数の係数とすると式 1 のようにあらわせる．

‐167‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

コロナショックからの企業業績の回復予測
Forecasting of Recovery in Corporate Earnings from Coronavirus Crisis
16537 銭 治任
指導教員 佐藤 豊
1. 研究背景
この一年はコロナウィルスの感染拡大により、日本でも多くの会社が倒産し、日本経済が大きな打撃を受けた。
業種毎にコロナショックにより受けたダメー
ジがそれ以前の水準に戻るまでどれくらいの時間がかかるのかが懸案事項となっている。
2. 研究目的
本研究では、コロナショックから受けた経済ダ
メージを分析し、業種（会社）ごとに分析を行い、経済全体の回復時期を予測する。
3. 研究方法
東証の株価データを CSV ファイルで取得する。
取得した株価の変動を観察し易くし、データを可視化出来るようにするため、R を使って図として表示する。
本研究では東証の株価データから AR および
MA モデルを組み合わせて作られた、ARIMA モデル（自己回帰和分移動平均モデル）を用いて、推定を行う。ARIMA 式は以下の通りである。

として、24 期分の予測を行なった。

②

①

ç

図１：東京エレクトロンの株価①③

𝑝𝑦𝑡 = ∑𝑖=1 𝜑𝑖 𝑦𝑡−𝑖 + 𝜀𝑡 +∑𝑞𝑗=1 𝜃𝑗 𝜀𝑡−𝑗

𝜀𝑡 ~N(0,𝜎 2 )・・・式１

一番目のシグマ演算子では自己回帰モデルを表しており、𝜑は𝑦𝑡−𝑖 の係数である。２番目のシグマ演算子では移動平均モデルを表しており、𝜃
は𝜀𝑡−𝑗 の係数である。また、ホワイトノイズ𝜀𝑡 は正規分布に従うとする。
ARIMA モデルを用いて、東証に上場する会社の株価の一定期間を訓練データとして、これからの株価を予測する。
4. 結果
本研究で実際に調べた会社は 2019 年 12 月末
から 2020 年の７月末まで株価の騰落率上位と下位３業種と外食産業から選んだ。会社名は「ソフトバンクグループ」「参天製薬」「東京エレクト
ロン」「国際石油開発帝石」「大同特殊鋼」「スターフライヤー」「コロワイド」であり、この７社について予測を行なった。
図１、図２は東京エレクトロンの株価とARIMA モデルを用いた東京エレクトロンの予測結果である。図２は図１のグラフを対数差分に変換した収益率を表し、訓練データは 2014 年 1 月
1 日から 2019 年 12 月 1 日までの月次データ計７２期あり、テストデータは 2020 年 1 月 1 日から②

図２：東京エレクトロンの収益率予測
期間①では株価が上昇傾向を示し、収益率は正の値が続いている。同様に期間②では負の値が集中し株価が下落傾向を示している。③の期
間は ARIMA モデルによる予測部分を表示している。オレンジ部分は 50％黄色部分は 95％の信頼区間を表している。
5. まとめ情報通信等の好調な業種はこれからも成長を続け、外食産業、空運業等の不調な業種はしばら
く低迷が続き，日本経済全体の回復はまだ時間がかかるであろう。
文 献[1] 青木義充(2014)，時系列データ分析，港北出版[2] 馬場真哉(2018)，時系列分析と状態空間モデルの基礎
R と Stan で学ぶ理論と実装，プレアデス出版‐168‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

生物の模様を表現する反応拡散方程式の数値計算
Numerical computations of reaction-diffusion equations representing biological patterns
16539 土屋 智哉
指導教員 須志田 隆道
1. はじめに
近年になって生物の模様がチューリング・パ
ターンで構成されていることが判明し，反応拡散方程式の数値計算を解くことによって，生物の模様が構成されていく過程を理解することができるようになった．図 1 は FitzHugh-南雲方程式の数値計算例を示す．ほぼ空間一様な初期値を与えているが，時間が経過すると迷路パター
ンが自発的に形成される．

(a)

(b)

(c)

(d)

図 2. Gray-Scott モデルの結果(a) t=0, (b) t=250, (c) t=1000, (d) t=4000(a)

では，時間が経過すると，スポットが分裂を繰り返していることを観察することができる．
2 つ目として，動物の体表を表現する以下の方程式の数値計算例を図 3 に示す[2].

(b)図 1. FitzHugh-南雲方程式の数値計算例(a) t=0, (b) t=1000

本研究では，反応拡散方程式を数値的に解くためのアルゴリズムを整理し，FitzHugh-南雲方程式をはじめとして，生物の模様に関連する
様々な方程式の数値計算結果を示すことが目的である．
2. 反応拡散方程式とは反応拡散方程式とは，変数の空間的な広がりを表す”拡散項”と他の変数との相互作用や自己減衰などを表す”反応項”の 2 つからなる偏微分
方程式のことである.
3. 数値計算結果
2 種類の反応拡散方程式を ADI 法という数値計算法を用いて計算を行う．境界条件としてノイマン境界条件を課す．ADI 法とは，時間ステップを 2 段階に分け，最初の時間ステップにおいては𝑥方向には陰解法，𝑦方向には陽解法で差分化し，次の時間ステップにおいては，𝑥方向には陽解法，𝑦方向には陰解法で差分化するというように，時間ステップごとに差分化法を入れ替える方法のことである[1]．
1 つ目として，以下の Gray-Scott モデルという反応拡散方程式の数値計算例を図 2 に示す.
𝜕𝑢
= 𝐷𝑢 ∆𝑢 + 𝑢𝑣 2 + 𝑓(1 − 𝑢){ 𝜕𝑡𝜕𝑣
= 𝐷𝑣 ∆𝑣 + 𝑢𝑣 2 − 𝑣(𝑓 + 𝑘)𝜕𝑡𝜕𝑢
= 𝐷𝑢 ∆𝑢 + 𝑢𝑣 2 + 𝑓(1 − 𝑢)𝜕𝑡{𝜕𝑣
= 𝐷𝑣 ∆𝑣 + 𝑢𝑣 2 − 𝑣(𝑓 + 𝑘)𝜕𝑡𝑓(𝑢, 𝑣) = 𝑎 − 𝑢 − ℎ(𝑢, 𝑣)𝑔(𝑢, 𝑣) = 𝛼(𝑏 − 𝑣) − ℎ(𝑢, 𝑣)
𝜌𝑢𝑣ℎ(𝑢, 𝑣) =1 + 𝑢 + 𝐾𝑢2(2)

パ ラ メ ー タ は 𝑎 = 92.0, 𝑏 = 64.0, 𝛼 = 1.50, 𝛾 =15.0, 𝜌 = 18.5, 𝐾 = 0.10である．また，𝑑𝑡 = 0.01
である．メッシュの形状を動物形状にするために，FreeFEM++というソフトウェアを使用した計算を行うこととする．三角形の個数は 5115
個であり，三角形の頂点数は 2758 個である.

(a)

(b)

図 3. 動物の体表を表現する方程式の結果(a) t=0, (b) t=50(2)の方程式では，領域のサイズの違いでスポットや縞模様のパターンが現れることを観察することができる．
文 献(1)

ここで，パラメータを 𝐷𝑢 = 2 ∙ 10−5，𝐷𝑣 = 10−5 ，
𝑓 = 0.024，𝑘 = 0.06と固定する．また，𝑑𝑡 = 0.01，
𝑑𝑥 = 0.01，𝑑𝑦 = 0.01である．このパラメータ[1] 平瀬創也, “C#で学ぶ偏微分方程式の数値解法”, 東京電機大学出版局 (2009)[2] Murray, J. D., Mathematical biology II: spatial models
and biomedical applications, Vol. 3, Springer-Verlag(2001)‐169‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

不協和音と外音の削減を行う自動作曲を用いた曲の飽き時間
Time to get tired of music with automatic composition and reduced dissonance and nonharmonic tones
16540 野崎 龍介
指導教員 大島 真樹
1. 緒 言自動作曲とは、作曲行為にコンピュータなどの計算手段を用いたものである。自動作曲と言ってもコンピュータがすべて作曲行為を行うのではな
く、人間が発音の基本法則を作りこんでプログラムによる計算結果としての自動作曲なので、厳密には「作曲補助」と言える。
作曲には音楽理論に関する専門知識や膨大な手間が必要となり、音楽の知識を持たない人にとって作曲は難しいため、現在ではコンピュータによる自動作曲技術の発展が求められている[1]。
コンピュータに作曲を行わせようとする研究の歴史は古く、1957 年(64 年前)にマルコフ過程を用いた自動作曲の研究が行われて以来、数多くの研究が行われてきた[2]。
先行研究の自動作曲システムでは、コード生成
確率モデルにカデンツ要素を取り入れ聴き飽きる
時間に影響を与えたかを実験している[3]。しかし先行研究の自動作曲システムの楽曲には人が良いと思えないような不協和音の使い方が間々確認できる。
以下図 1 に先行研究で使用されていた自動作曲システムの概要図を図 1 に示す。(図 1)

図 1 自動作曲システム概要図
図 1 の概要図で問題があるのは、Melody 生成の確率モデルである。Melody 生成の確率モデル
が不協和音の影響になっていることが研究によって確認できた。
また本研究では、不協和音が人間の飽き時間にどのように影響するかを確認するため飽き時間測定を行う。
2. 方 法以下の条件ごとに楽曲の自動生成を行う。
・不協和音や外音だらけの楽曲
・不協和音や外音を 1/8 に調整した楽曲
・不協和音や外音を使わない楽曲
また協和音は完全 1 度と完全 8 度、完全 4 度と完全 5 度長短 3 度、長短 6 とされており、不協和音は上記以外の和音とされている。今回は上記の定義にしたがって、実験を進めていく。
今回の実験環境を表 1 に示す。
今回の測定は対面で行い 5 人の聴取者で測定を行う。ストップウォッチを 3 つ用意して曲に飽きたら手を挙げてもらいストップウォッチを止め、3 人飽きるまで(中央値を取る)測定を続ける。今回中央値を取る理由は平均値を取るとすべての人が聞き飽きるまで待たなければならない。改善として過半数の人が聞き辞めたら曲を止め、次の曲の調査がすぐに始められるために今回は中央値を取る。
表 1 実験環境

3. 結 果
今回飽き時間測定を行った結果を表 2 に示す。
表 2 飽き時間測定結果

表 2 により、外音または不協和音を 1/8 に調整した楽曲が一番長い飽き時間になった。また、大量の外音または不協和音を用いた楽曲が一番短い飽き時間になった。
4. 考 察外音も不協和音と同じく適度に導入することが大事になってくるものだと考える。今回の実験の結果を踏まえ、現状の自動作曲においては、どんな理論においても「入れすぎない」ということが大事になってくるのではないかと考える。
5. 今後の予定
今回の実験で不協和音や外音の数に応じて飽き時間が大きく変化するということが分かった
為、全終止以外の進行も飽き時間を飽き時間に影響するかといった考えを実際に試す。
文 献[1]戸松 研人 長尾 智晴 2017 楽曲の構成を考慮した自動作曲
https://ci.nii.ac.jp/naid/170000174587[2]石田 和也 長名 優子 2018
遺伝的アルゴリズムを用いたバラードの自動作曲
https://ci.nii.ac.jp/naid/170000177082[3]山口 拓真ほか 2019
カデンツを使用した自動作曲に対する飽き時間 A timeof being tired of automatic composition music using
Cadence‐170‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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OpenPose を用いた歩容認証
Gait recognition with OpenPose
16541 林 武志
指導教員 川村 春美
1. 背 景近年、様々な生体認証技術が存在しており、その中に歩き方で個人を識別する歩容認証技術がある。歩容認証はカメラから離れた場所での認証が可能である点やマスクやヘルメットをしていても認証できる点で、犯罪捜査に応用されている。現在はシルエットを用いて認証する手法が主流となっている。
シルエットによる認証では、シルエット画像から抽出した歩容特徴と事前に登録してある特徴との相違点に関するスコアが閾値以上の場合に別人物と判定する[1]。しかしながら、この手法ではシルエット画像の生成に、背景差分やフレーム差分を用いるため、背景に動きがあるとうまく認識が行えない問題がある。
そこで本研究では、シルエットに依存しない方法で歩容認証を行うことを目的とする。
2. 研 究 手 法
本研究では、OpenPose[2]を用いて認証を行う。
OpenPose とは、人物の骨格情報を深層学習で推定する技術であり、画像内の人間の関節の位置を出力することができる。得られた関節位置に基づいて、腕のふり幅、腕の長さ、歩幅、足の長さを特徴量とする。また、撮影環境によって特徴量に差が出ないようにするために座標補正、
スケール変換を行う。人物の識別には、教師あり学習のパターン認識モデルである SVM を使用する。
3. 実 験
本研究では、歩行している状態を人物の左側から撮影し、一人 10 動画毎に識別を行いながら、識別精度を確認する。学習データと識別率・誤認識数の関係を図 1 に、識別対象 5 人、学習データを一人当たり 64 動画としたときの識別結果を図 2 に示す。

図 1 学習データと識別率・誤認識数の関係

図2

学習データ 64 の識別結果

図 1 より、
学習データ数が 48～64 の間で低下していることが分かる。また、図 2 より E さんが誤認識する数と E さんと誤認識される数が多いことがわかる。
4. 考 察各データの分布や特徴量でどのように識別できているかを確認するため、図 2 に示す結果と同じ条件で主成分分析した結果を図 3 に示す。

図 3 主成分分析結果の要約

図 3 より、E さんは他の人と円が重なっているところが多いため誤認識が増えていると考えられる。識別精度を上げるには、E さんと他の人との違いを分ける特徴量の追加や特徴量の重みづけが必要だと考えられる。
5. 結 論
シルエットベースではなく骨格情報から得られる特徴量を用いて歩容認証を行う手法を提案した。本研究では最低でも 85%、最高で 90%の識別率を確認することができ、OpenPose を用いて歩容認証が行えることが分かった。
文 献[1] 岩間他, “犯罪捜査支援のための歩容に基づく人物鑑定システム”, CVIM, 186(3), 1-10, 2013[2] Z. Cao, et al.,"OpenPose: Realtime Multi-Person 2D Pose
Estimation using Part Affinity Fields,"in IEEE Trans.
PAMI, 43(1), pp.172-186, 2019.

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2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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Semi-supervised GAN を用いた木材加工のバリ検出に関する検討
A study on burr detection in wood machining using Semi-supervised GAN
16543 堀川 達平
指導教員 内田 健
1. はじめにDeep Learning を用いた機械加工におけるバリ検出法の一検討では、学習用データの少なさによる低い識別精度が課題となっている[1]。そこで、本研究では半教師あり学習を実現した手法である Semi-Supervised GAN(SGAN)[2]の拡張を提案し、識別精度の向上を試みる。
2. 提案手法
従来までのバリ検出手法 [1]は教師あり学習を用いており、多数の事例を容易に得られない
ラベル付き画像を必要とする。一方、敵対的生
成ネットワーク(GAN)等で用いられる教師なし
学習では、比較的多数の事例を入手可能なラベ
ル無し画像を用いて学習を行う。SGAN は、教師あり学習に加え教師無し学習を同時に行うことで、同じ量のラベル付き画像を学習に使用した場合でも識別精度を向上させることを可能とする。
図 1 に SGAN の概略図を示す。SGAN は通常の GAN に用意されたノイズから画像を生成する生成器(G)と、生成画像とデータセットの画像を識別する識別器(D)の他に、従来法と同じく教師画像のクラス分類を行う識別器(C)を持つ。SGAN は識別器(D)と識別器(C)の内部パラメー
タを共通化することで半教師あり学習を実現し
ている。

図1

Semi-supervised GAN の概略図

先行研究[2]で用いられる生成器と識別器の構造では高画質な木材画像の識別を行うことはできないため、識別器と生成器が高画質な画像に対応できるよう構造を拡張する(図 2、図 3)。
識別器は最終層の活性化関数を切り替えることで識別器(C)と(D)の機能に対応することができるようになる。

図2

図3

拡張した識別器の構造

3. 数値実験
拡張した生成器と識別器による SGAN を実際の木材加工のバリ検出に適用し、識別精度向上効果が得られるか確認する。実験に用いたデー
タセットはバリ有り画像 367 枚、バリ無し画像
269 枚の計 636 枚の木材加工品のラベル付き画
像で、ラベル無し画像はこのデータセットの中から適宜ラベルを除去したものを用いた。
ここでは、SGAN の学習においてラベル付き
画像の数 α とラベル無し画像の数 β を変化させながら識別精度を測定する。識別精度の変化を
表 1 に示す。なお、β = 0 の列は従来法の識別精
度である。
表1
α＼β
53
106
159
212
265
318
371
424

0
56.29
75.31
82.08
82.23
80.66
83.33
80.98
83.96

α と β を変化させた場合の識別精度
53
69.34
79.88
80.19
81.45
85.06
84.12
85.53

106
71.38
78.93
80.35
81.92
86.16
85.56

159
70.12
77.99
79.98
84.12
85.06

212
71.07
77.36
82.08
83.49

265
70.44
78.46
81.44

319
67.77
80.03

371
72.48

4. おわりに
提案手法は実際に木材画像を識別し、木材加工の不良品の識別精度を向上させる効果を示した。特に学習に用いる画像の総量が一定以上である場合には、その約半分がラベル無し画像であっても識別精度を維持することがわかった。
SGAN に用いる生成器と識別器をより実用的な CNN を用いて構成することでより高い識別精度を得られるかどうかの検証は今後の課題である。
文 献[1] 桑原 大輔, 大坪 樹, 宮田 統馬，“deep learning を用いた機械加工における不良品判別の一検討”，電子情報通信学会東京支部学生会研究発表会，p.35，(Mar. 2018)[2] Augustus Odena, “Semi-Supervised Learning with
Generative Adversarial Networks”, arXiv,1606.01583v2,(Oct. 2016)

拡張した生成器の構造‐172‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

二種類の細胞による集団回転運動を理解するための数理モデルとその数値計算
A mathematical model and numerical computations for understanding collective rotationalmigrations by two types of cells
16544 前田 楓太
指導教員 須志田 隆道
1. 研究背景
土壌に生息している細胞性粘菌は、飢餓状態になると cAMP と呼ばれる拡散性の化学物質を放出することで、マウンドと呼ばれる集合体を形成する。その後、子実体と呼ばれる形態を組成し、胞子を飛ばして細胞を散開させるライフサイクルを繰り返すことで知られており、単細胞生物から多細胞生物に至るまでの過程を理解する上で注目されている生物種である。
2. 研究目的マウンドを形成する際に、細胞性粘菌は集団
的な回転運動を行う。その際、より多くの物質がある方向に対して走化性を強く獲得する特性を持つ予定柄細胞と、近接する細胞に対して強い接着効果を持つ胞子細胞の 2 種類が存在し、集合体の内側に予定柄細胞、外側に胞子細胞が位置することが近年の実験観察で報告されている[1]。本研究では、2 種類の細胞による集団運動を取り扱う数理モデルを構築し、細胞性粘菌の集合過程を数値的に検証することを目的とする。
3. 研究方法
先行研究[2, 3]を参考にして、細胞運動を表現する常微分方程式による細胞運動モデルと、細胞が拡散する物質の濃度場を表現する偏微分方
程式による反応拡散方程式を組み合わせた自己駆動粒子モデルを考える[4]。
細胞運動モデルでは、細胞極性の方向に運動する駆動力と細胞同士の排除体積効果及び接着
力、駆動力の方向の極性や濃度勾配が高い方向に極性を獲得する効果を導入した。常微分方程式の数値計算法として、4 段 4 次ルンゲ=クッタ法を採用した。
空間二次元の反応拡散方程式の数値解法として、陽解法を採用し、境界条件として斉次ノイ
マン境界条件を課した。
4. 研究結果
細胞性粘菌がマウンド形成時に起こす集団回転運動を構築した数理モデルの数値計算結果を示す。粒子数は 100 個とし、予定柄細胞を緑色(25 個)、胞子細胞は紫色(75 個)と固定した。さらに、緑色の粒子の方が紫色の粒子と比べて、濃度勾配が高い方向に極性を獲得する効果が強い場合を想定する。図 1 が示すように、集合体の内側に予定柄細胞、外側に胞子細胞が位置する結果となった。

(a) t = 0.05(b) t = 1.00(c) t = 2.50(d) t = 6.50

図1

自己駆動粒子モデル

5. まとめ本研究では、細胞性粘菌の集合過程における2 種類の細胞の位置関係を検証するために、自己駆動粒子モデルを構築し、数値計算結果から走化性に着目した効果のみの導入によって、実験観察で報告されている集合体と同様の位置関係が獲得されることを示した。
6. 今後の課題
本研究にて構築した自己駆動粒子モデルでは、
細胞形状を粒子として考えたが、今後は細胞形状を考慮して、細胞の詳細な表現を可能にした数理モデルの構築を行いたい。さらに、予定柄細胞と胞子細胞の三次元的な位置関係の獲得を理解するために、三次元空間での数理モデルへと拡張することが挙げられる。
文 献[1] T. Fujimori, et al., Proceedings of the National Academyof Sciences, 116(10) (2019), pp.4291-4296.
[2] M. Akiyama, et al., Dev, Growth & Differ, 59(5) (2017),
pp.471-490.
[3] B. A. Camley, et al., PLoS computational biology, 12(7)(2016), e1005008.
[4] 前田楓太, 第 12 回大学コンソーシアム八王子学生発
表会 概要集, (2020), E124.

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2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

集合被覆問題のラグランジュ緩和法を利用した近似解法
An Approximation Algorithm for Set Covering Problem using Lagrangian Relaxation
16545 丸尾 滉樹
指導教員 島川 陽一
1. はじめに集合被覆問題は，集合が与えられたとき，集合の全要素を被覆する，費用最小の部分集合を選択する問題である．集合被覆問題など代表的な問題については商用の汎用 IP ソルバーによって，高速かつ高品質な解が得られるようになっている．一方で，商用のソルバーは汎用性を持たせるため，問題のインスタンスによっては効率が悪い．先行研究によって，集合被覆問題に特化したアルゴリズムが示されている[1]．
本研究では，集合被覆問題に特化したアルゴ
リズムの実装とその数値実験を行う．商用の汎用 IP ソルバーと比較してアルゴリズムの性能について評価する．
2. 集合被覆問題の定式化
集合被覆問題は，集合𝑀 = {1, … , 𝑚}とその部分集合の族𝑆𝑗 ⊆ 𝑀, 𝑗 ∈ 𝑁 = {1, … , 𝑛}，及び，部
分集合𝑆𝑗 の費用𝑐𝑗 , 𝑗 ∈ 𝑁が与えられたとき，すべての要素𝑖 ∈ 𝑀が被覆され，費用の総和が最小となる部分集合𝑆𝑗 の組み合わせを求める問題と定義される．この問題を 0-1 整数計画問題として以下のように定式化する．

用と呼ぶ．ヒューリスティックスアルゴリズム
において，最適解に含まれる集合𝑆𝑗 は被約費用
𝑐̃𝑗 (𝒖)が小さい傾向を持つことが利用される[3]．
このような特徴を利用して，元の集合被覆問
題に対して，局所探索を行う．局所探索は，初期解から探索を始めて，現在の解に変更を加えて，より良い解が見つかれば，現在の解をより良い解に更新する．最終的により良い解が見つからなくなれば，現在の解を出力する．
3. 数値実験結果
数値実験は，OR-LIBRARY で公開されている
ベンチマーク問題を用いて行う．OR-LIBRARY
では，様々な OR のベンチマーク問題が公開されており，その中から集合被覆問題のデータを用いて数値実験を行う．比較する汎用 IP ソルバ
ーには Gurobi9.2 を用いる．数値実験によって得られた解と解の精度を表 1 に示す．解の精度は，(得られた解/最適解) × 100[%]で与える．
ここでは集合被覆問題のインスタンスである
A.1～A.5 に対する結果を示す．
表1

問題
A.1
A.2
A.3
A.4
A.5

min 𝑧 = ∑ 𝑐𝑗 𝑥𝑗𝑗∈𝑁s. t. ∑ 𝑎𝑖𝑗 𝑥𝑗 ≥ 1,

∀𝑖 ∈ 𝑀𝑗∈𝑁

𝑥𝑗 ∈ {0, 1},∀𝑗 ∈ 𝑁
定数𝑎𝑖𝑗 について，𝑖 ∈ 𝑆𝑗 のとき，𝑎𝑖𝑗 = 1となり，𝑖 ∉ 𝑆𝑗 のとき，𝑎𝑖𝑗 = 0となる．𝑥𝑗 は決定変数で，集合𝑆𝑗 を被覆に選ぶかどうかを決定する．𝑆𝑗 が被覆に選ばれるならば𝑥𝑗 = 1となり，そうでなければ，𝑥𝑗 = 0となる．
0-1 整数計画問題として定式化した問題に対して，ラグランジュ緩和問題は以下のように定義される[2]．
min 𝑧𝐿𝑅 (𝒖) = ∑ 𝑐𝑗 𝑥𝑗 + ∑ 𝑢𝑖 (1 − ∑ 𝑎𝑖𝑗 𝑥𝑗 )
𝑗∈𝑁

𝑖∈𝑀

𝑗∈𝑁

= ∑ 𝑐̃𝑗 (𝒖) 𝑥𝑗 + ∑ 𝑢𝑖
𝑗∈𝑁

𝑖∈𝑀

s. t. 𝑥𝑗 ∈ {0, 1}, ∀𝑗 ∈ 𝑁
ここで，ラグランジュ乗数ベクトル𝒖 =(𝑢1 , 𝑢2 , … , 𝑢𝑚 ) ∈ ℝ𝑚
+ は，1 次のペナルティに当たる．ラグランジュ乗数を固定すると，ラグランジュ緩和問題が 1 つ定まる．目的関数を式変形して出てきた𝑐̃𝑗 (𝒖) = 𝑐𝑗 − ∑𝑖∈𝑀 𝑎𝑖𝑗 𝑢𝑖 を被約費問題 A の解と解の精度

最適解
253
252
232
234
236

Gurobi
253
252
232
234
236

研究手法
288[114%]284[113%]270[116%]278[119%]271[115%]

表 1 の結果より，本研究の手法は Gurobi よりも精度の良い解を得ることができなかった．本
研究の手法で得られる解は約15%の誤差がある．
4. まとめ本研究では，集合被覆問題に特化したアルゴ
リズムを実装し，その性能について評価した．
今回は実装した手法の有用性を示せなかったが，問題の種類によっては Gurobi よりも優れた結果を出すということも考えられる．
文 献[1] 北村啓介，“集合被覆問題に対するその緩和問題を利用した局所探索法”，明治大学理工学部情報科学科卒
業論文(2016)[2] Shunji Umetani and Mutsunori Yagiura, “RELAXATIONHEURISTICS FOR THE SET COVERING PROBLEM”,
Journal of the Operations Research Society of Japan, 2007,
Volume 50, Number 4, 350-375.
[3] Mutsunori Yagiura, Masahiro Kishida and Toshihide
Ibaraki, “A 3-Flip Neighborhood Local Search for the Set
Covering Problem”, European Journal of Operational
Research, 2006, Volume 172, Number 2, 472-499.
‐174‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

自己相関関数により楽曲の拍子を判別
Determine time signatures of music with an autocorrelation function
16546 三木 允拓
指導教員 大島 真樹
1. 背 景これまでの研究では 4 拍子を対象に研究をされているが、3 拍子も対象にした柔軟性のあるモデルの研究は十分にされていない。
複数の楽曲を分析してその曲が何拍子の曲であるかを推定する。拍子の異なる複数の楽曲を分析し、それぞれの拍子の特徴を抽出する。抽出する拍子として今回は 3 拍子と 4 拍子の楽曲を分析する。それぞれの拍子の特徴が楽曲から抽出できれば本実験は成功とする。
2. 方 法楽曲の拍子判別をするために音と音の間の長さを抽出して、フーリエ変換とウィーナー＝ヒンチンの定理を用い自己相関関数の評価値を求める。抽出された評価値を、音価を横軸にしてグラフ化し、楽曲において小節線は拍子の連なりを分ける働きがあり拍子はそれぞれ特徴が存在するという特徴をもとに拍子の判別を行う 。 ア ク セ ン ト の 強 さ をB(Big)M(Medium)S(small)の 3 つの段階に分け、3 拍子の場合は 4 分音符のアクセントが B、S、S…と並び、4 拍子の場合は 4 分音符のアクセン
トが B、S、M、S…と並ぶ。
3. 結 果図 1 及び図 2 の赤い点線は楽曲の BPM を示している。
青い線は自己相関関数の評価値を示し、評価値の高い山の一つと赤い点線が同じ BPM
上にあることがわかる。これは楽曲のビートが自己相関関数の評価値の山から選定されていることを示している。
図 1 では楽曲のビートを示す赤い点線のおおよそ 1/3 地点（3 倍長い音価）にも青い線の山があることがわかる。これは楽曲が 3 拍子であることを示している。
1/2 地点にも山はあるが、1/3 地点の方が値は大きいため 3 拍子の可能性が高い。よってこの楽曲が 3 拍子の楽曲であると推定できる。また図 2 では同じように赤い線の 1/2 地点、そして 1/4 地点にも青い線の山があることがわかり、これも楽曲が 4 拍子である
ことを示し、4 拍子であることを推定できる。

(縦軸は自己相関関数の評価値、赤線は楽曲の BPM)

図 1 3 拍子の楽曲の自己相関関数評価値(縦軸は自己相関関数の評価値、赤線は楽曲の BPM)

図 2 4 拍子の楽曲の自己相関関数評価値

4. 結 論
実験結果より、楽曲の特徴を分析してその曲が何拍子の曲であるかを推定することが達成できた。
4 拍子の楽曲においては、4 拍子であるという判断材料になる形の結果を得ることができた。
3 拍子の楽曲においては想定していた形とは少し相違のある結果が得られた。しかし、得られた結果からどのような分析をすることで拍子を推定することができるようになるのかを調べることができた。
文 献〔2〕音楽における拍子概念と表現に関する一考察(III)，
井戸和秀，岡山大学，1991，岡山大学教育学部研究集
録，http://ousar.lib.okayama-u.ac.jp/ja/9616〔3〕音楽における拍子概念と表現に関する一考察(I)，井戸和秀，岡山大学，1990，岡山大学教育学部研究集録，
http://ousar.lib.okayama-u.ac.jp/ja/9636〔4〕隠れマルコフモデルによる音楽演奏からの音符列の推定，齋藤直樹，中井満，下平博，他，1999，情報処
理
学
会
研
究
報
告
,
https://ndlonline.ndl.go.jp/#!/detail/R300000002-I5338911-00〔9〕フリー音楽素材魔王魂「オーケストラ 07」「オーケストラ 24」https://maoudamashii.jolersounds.com/list/bgm6.html〔 10 〕 自 己 相 関 関 数 と パ ワ ー ス ペ ク ト ラ ム
http://signalprocess.binarized.work/2017/12/17/autocorrel
ation_function_and_power_spectrum/‐175‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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画像を用いたふらつき運転検出方法の提案
A study on detecting vehicle’s state of wobbling using videos
16547 水野 彰大
指導教員 川村 春美
1. 研究背景
交通死亡事故における漫然運転の占める割合
が 12 年連続でトップを更新しており、対応策の検討が急務である。漫然運転時の状況には信号の見落としや車間距離不保持、ふらつき運転があり、その中でも本研究ではふらつき運転に着目する。
ふらつき運転を判定する既存技術には、
加速度センサ[1]や、GPS[2]等のセンサを用いるものが主流であるが、道路状況などが考慮されていないため、挙動を正しく判定することはできないことが問題であると考えられる。
そこで本研究では、画像処理を用いて検出した車線と車体の位置関係の変化量から、ドライ
バーの走行の特徴を取得し、ふらつき運転を判定する手法を提案する。
2. 研究手法
画像からふらつき運転を判定するためには、車線と車体の位置関係を抽出する必要がある。
そこで、入力画像に前処理としてノイズ除去を行った後にハフ変換を用いて車線検出を行う。
なお、センターラインには白線と黄線の 2 種類が存在することから、これらの 2 種類の車線を検出し、結果を統合する。ハフ変換によって得られた直線には車線以外の不要な線が数多く含まれることから車線としてはありえない並行に近い線を除外した後で、画面中央に最も近い位置にある直線を選ぶことで車線を選定する。
走行の特徴は、検出された車線とその前に検出された車線との差から得られる「横ブレ」の
速度毎の平均に基づいて線形回帰を行い通常走
行時の横ブレを推定する。ふらつき判定は、この通常走行時のふらつきを基準として左右のブレをカウントすることによって行う。
ふらつきは「左右の車線に推定値以上の横ブレで 3 回以上接近を繰り返すもの」、「推定値以内の横ブレで左右どちらかの車線に寄りながら移動する運転」の 2 種類を判定する。
3. 実験
実験では公道で取得した昼間の動画であり、「片側 1 車線」、「片側 2 車線」、「片側 3 車線」の 3 種類を用いる。車線移動の動画は「片側 2 車線」時のみであり、障害物移動の動画は「片側 1 車線」時のみである。
車線選定実験の結果を図 1 に示す。
図 1 より、
左右の車線が実線であれば、検出が可能である
が、車線の老朽化が著しい区間や破線の場合には検出ができなかった。

図 1，検出失敗例

走行の特徴検出実験の結果、速度が変化しても横ブレ量が変化しない場合や小さくなるデー
タもあり、「速度の増加に伴い横ブレも増大する」という想定は合致しないことが分かった。
ふらつき判定の実験を以下に示す。
表 1，判定の正誤

正
誤
2
4
車線移動
4
1
障害物回避
表 1 の結果から「車線移動」の判定には誤判定の方が多い結果となっているが、「障害物移動」の誤判定は 5 回中 1 回のみである。
「車線移動」の誤判定は、車線移動時に破線の間隔が差し掛かったために車線検出が失敗したことに起因すると考えられる。
一方、「障害物回避」の誤判定は、センターラインの黄色が、指定した黄色の範囲外であったために抽出がなされず、車線検出に失敗した
ことが原因であると考えられる。
4. まとめ画像を用いたふらつき運転の判定手法を提案した。提案手法では、速度の増加に伴って横ブレ量も増大することを想定して安定した走行をモデル化することで、ふらつきを判定する。実車を用いて実測した結果、安定走行での横ブレ
は速度に依存しないことが得られた。「車線移動」、「障害物回避」を対象として実験を行った結果、車線の検出ができれば走行を判定できる可能性があることが示唆された。
5. 今後の予定
今後はセンターラインが破線の場合の検出精度を向上させるための検討を行う必要があると考えられる。
また、ふらつき運転の有効性を交通公園などで検証し、評価をしていく予定である。
文献[1] 隅田康明,林政喜,合志和晃,松永勝也,”簡易運転
行動測定装置によるふらつき運転評価”,情報処理学会誌,vol.57,no,1,pp.79-88,2016[2] 鷲見海王,岡本幸大,鈴木麻里,渡邊晃,中野倫明,山田宗男, “スマートフォンを用いた運転支援シス
テム開発の検討”, 第 11 回 ITS シンポジウム
2012,pp.193-197,2012‐176‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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色覚異常を理解するための畳み込み積分モデルとその数値計算
A convolution integral model for understanding color blindness and its numerical computations
16548 宮下 碧巴
指導教員 須志田 隆道
1． はじめに色覚異常は男性の 20 人に 1 人（5%），女性の500 人に 1 人（0.2%）にみられ，珍しい症例ではないことが知られている．近年では，印刷技術の発達やインターネットの普及に伴い，身近なとこ
ろに色の違いによって重要な情報を判断する機会が増え,色覚が正常でない人であっても，確実に情報が伝わるということが求められている．
本研究では，色情報（入力画像）を刺激として与えたときに，出力となる視覚的な印象の獲得を理解するために，畳み込み積分を用いた数理モデ
ルを構築し，色応答を制御するパラメータを導入
して,どのようなパラメータが色覚異常を引き起こすのかを検証することを目的とする．
2． 研究方法
はじめに，与えられた入力画像から赤・緑・青を取得する．赤・緑・青の反応の組み合わせによって色を知覚するという 3 色説と赤-緑・黄-青・白-黒の 3 組がそれぞれ制御されていることを仮定した反対色仮説[1]の 2 つについて，網膜の神経細胞を念頭においた空間二次元の畳み込み積分モデル（図 1）を構築し，その数値計算を行う.

数値計算では，図 2 に示した入力を用いる．

図 2 入力画像

3． 研究結果
数値計算では，色覚異常の中でも正常色覚・1型 2 色覚・2 型 2 色覚・3 型 2 色覚に注目した．
図 3 に，3 色説の畳み込み積分の計算において，
赤応答・緑応答・青応答の効果を低下させた結果を示し，反対色仮説の計算において，赤-緑応答・黄-青応答を低下させた結果を示す．図 3 の出力
結果は赤・緑・青に変換したもの画像である．

図 3 出力画像

図 1 畳み込み積分モデルの概要

赤・緑・青の応答に関する畳み込み積分の積分
核は，網膜内の視細胞（錐体）の局所的な情報伝達を考慮するために，次の正規分布を採用する．
𝑥 2 +𝑦 2

)
−(
𝑎𝑖
2𝜎𝑖2
𝑓𝑖 (𝑥, 𝑦) = ((𝑖 = 𝑟, 𝑔, 𝑏)
2) 𝑒
2𝜋𝜎𝑖
ここで，𝑎𝑖 , 𝜎𝑖 > 0である．
反対色仮説を検証するための畳み込み積分における積分核には，網膜神経節細胞において観察されるメキシカンハット型の受容野構造を模したものとして，次の関数を採用する．
𝑥 2 +𝑦 2

4． まとめ図 3 の数値計算結果から，赤-緑応答ないし黄-青応答のパラメータを調整することで，色覚異常の典型的な視覚的印象と同様な出力が得られた．一方で,3 色説のみであるとき期待される出力が得られなかった.このことから，色覚異常を引き起こす要因が 3 色説ではなく，反対色仮説にあることが推測することができる．
5． 今後の課題
本研究では，3 色説と反対色仮説を個別に取り扱った計算結果を示した．今後の課題として，3色説での色応答の低下が，反対色応答にどのような影響を与えるかなどの段階的な応答の検証を行う．
文 献

𝑥2 +𝑦 2

)
)
−(
−(
𝑎𝑗
𝑏𝑗
2𝜎𝑗2
2𝜌𝑗2
𝑓𝑗 (𝑥, 𝑦) = (
−(
2) 𝑒
2) 𝑒
2𝜋𝜎𝑗
2𝜋𝜌𝑗
( 𝑗 = 𝑟𝑔, 𝑦𝑏, 𝑤𝑏 )．ここで，𝑎𝑗 , 𝜎𝑗 , 𝜌𝑗 > 0である．

‐177‐[1] 大山 正,視覚心理学への招待,サイエンス社 (2000)[2] 内川 恵二,篠森 敬三,視覚Ⅰ 視覚系の構造と初期機
能,朝倉書店 (2018)2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

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静定ラーメン構造の力学的解析とシミュレーション
Mechanical analysis and simulation of a Rhamen – type static structures
16549 結城 翔太
指導教員 山野邊 基雄
1. 緒 言日本は 4 枚のプレートに囲まれている国であり、気象庁のデータによると昨年震度 1 以上を記録した地震の回数は約 1500 回である。
また、南海トラフや首都直下型など M7 を超える大地震も予測されている。これらのことから
日本は地震に対しての技術が非常に発達していると思われる。
この考察を裏付ける資料として震度 6 レベルの地震で倒壊件数が目立った 2000 年以後の 3
年間と 2016 年以後の 3 年間を比較すると前者は
平均 319 棟に対し後者は平均 19.5 棟と減少傾向にあった。これらのことと、著者が東日本大震
災で避難してきたこともあり本研究のテーマを決定した。
2. 方 法静定ラーメン構造は梁と柱の接合部が剛接合されており、地面と柱との接合部の反力が 3 つ以下の構造のことをいい、揺れに対して部材の粘り強さで耐える。本研究では以下の構造に対して慣性力 P が加わった際の負荷を計算する(図 1)。

発的な力を表している。サンプリング周波数は100[Hz]で、常時微弱な揺れを観測していることから±1[gal]より小さい加速度データは切り捨て、それ以上の加速度を観測した地点から 60.00
秒間のデータを使用する。観測地点は 2011 年 3
月 11 日の東日本大震災から著者が体験した宮城県気仙沼市赤岩(図 2)と東京都江戸川区中央(図 3)を選択した。論文の方では慣性力 P が構造に及ぼす断面力を分布図にて示してある。
3. 結 果
観測地ごとの慣性力 P を図 2、3 に示す。

図 2 杉構造に地震がもたらす慣性力(宮城)図 3 杉構造に地震がもたらす慣性力(東京)

図 1 シミュレーションモデル

本来地震による荷重(慣性力)は構造に対して等分布加重でかかっている。この等分布荷重をバリニオンの定理により集中荷重へと変換する際、構造の重心に力が加わっていると考えるのだが、加重が上側に偏っているため重心の計算が難しい。そこで、「水平の慣性力(地震力)が働く場
所は質量が大きい場所である」という「剛床仮定」を用いて A 点から直上に 240[cm]も地点に加わっていることとする。この慣性力の式は
P = w・aで表すことができる。この時 W は構造物の質量[kg]、a は加速度[gal]である。質量は杉と鉄により異なり、加速度データは気象庁が掲載している強振観測データの中から加速度データを使用する。この加速度データの単位は[gal]で、1[gal]= 1[cm/s2]となっており地震で揺れる地面の瞬

4. 結 言立体モデルに動的荷重を加え、構造にかかる負荷を求めることができた。構造負荷の最大値
は 杉 の 場 合 は 東 京 が 9.07497[N] で ， 宮 城 が108.04122[N]．鉄の場合は東京が 18794.7405[N]で，宮城が 223759.053[N]となった．これらのことから，構造物は単に強固な部材を使うだけでは，かえって慣性力を増幅させることがわかった．よって耐震の面では質量をできるだけ抑え，かつある程度の強度のある部材を選ぶことが重要である．
5. 今後の予定
本来なら本研究で使用した構造のモデルで許容応力度と結果を比較し、免震と耐震にも駒を進めたかったのだが、そこまで進むに至らなかった。また、今回は単体の構造でのシミュレーションなので、複数の構造を用いたシミュレー
ションなども進めていきたい。
文 献[1] 気象庁，”強震観測結果”，(最終閲覧日:2021-02-07)[2] 張 景耀,“構造力学”（2018）[3] 邊田 季,“地震の揺れによる書籍の飛び出しシミューション”（2018）[4] 国土交通省,“木材の基準強度 Fc、Ft、Fb 及び Fs を定める件” (2015)‐178‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

背景知識とプロットを用いた短編小説の自動生成
Auto-generation of a short story using background knowledge and a plot
16550 渡邉飛龍
指導教員 大島 真樹
1， 緒 言小説文の自動生成について，これまで「プロットと背景知識を用いた短編小説の自動生成」[1]や「台本形式や会話を中心とする短編小説の自動生成」[2][3]，「類似度調整によるストーリー生
成システムの構築」[4]，「既存小説に依存しな
い創発的なストーリーの自動生成」[5]など，様々な研究が行われてきた．その中から，私は成功例と問題点がはっきりとしている「プロットと背景知識を用いた短編小説の自動生成」に取り組み，
プロダクションシステム[6]を利用した桃太郎の物語を用いて，この研究で課題とされていることについて考えることにした．
2， 方 法まず用意するものとして，プロットデータと背景知識がある．プロットデータにはプロダクショ
ンシステムを動作させるよう初期条件と終了条
件を書き，「if～then…output--」の形で条件を書く．今回作成したプロットデータを図 1 として以下に示す．

図1

プロットデータ

また，背景知識として本実験では動物の名前を利用する．本来桃太郎の物語で登場する「イヌ・サル・キジ」ではなく，多様性を持たせるためにより多くの動物を背景知識として用意した．用意した背景知識の一部を図 2 として以下に示す．

図2

背景知識の一部

本研究ではこれらを用いてプロダクションシ
ステムを利用した文章生成を行う．
3， 結 果次の図は，プロットデータとプロダクションシ
ステムを用いて生成された文章である．図 1 と比
較してみても，output 以降の文章が正しく生成されていることが分かる．

図3

プロットの出力

また，図 3 の結果から，animal1，animal2，
animal3 にそれぞれ図 2 のような背景知識として動物の名前を挿入した結果を次に示す．

図4

背景知識の挿入4， 結 言プロダクションシステムを利用した文章生成
では，プロットデータの形を指定するものの，桃太郎の物語を生成することができた．また，生成された文章に背景知識として桃太郎の物語に登場しない様々な動物を用意することで，本来の桃太郎の物語に多様性と独自性を持たせることができた．このことから，プロダクションシステムと背景知識を用いた文章生成では十分な結果を残すことができたと言える．しかし，この自動生成システムでは一つの単調な短編小説の生成しかできないため，いくつかの拡張を行うことで，より充実した文章生成システムに発展すると考察する．
文 献[1]プロットと背景知識を用いた短編小説の自動生成
http://altmetrics.ceek.jp/article/id.nii.ac.jp/1001/00164246/[2]TULIP: Web 小説を学習に用いた三段階 LSTM による台
本形式小説
http://altmetrics.ceek.jp/article/confit.atlas.jp/guide/event/jsai2018/subject/2E2-04/detail[3]会話を中心とした超短編小説の自動生成
https://www.aigakkai.or.jp/jsai2014/webprogram/2014/pdf/160.pdf[4]創作支援を目的とした類似度調整によるストーリー
生成システムの構築
https://ci.nii.ac.jp/naid/130007658641[5]既存小説に依存しない創発的なストーリーの自動生成に関する考察https://www.anlp.jp/proceedings/annual_meeting/2015/pdf_dir/P4-26.pdf[6]人工知能概論(第 2 版)
https://www.kyoritsu-pub.co.jp/bookdetail/9784320121164‐179‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

PTZ カメラの初期摂動の検出

Detection of initial perturbations of PTZ cameras
15503 依知川 拓海
指導教員 宇都木 修一※都合により原稿はありません。

‐180‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集

サレジオ工業高等専門学校

地震時における物体の変位のシミュレーション
A simulation of displacement of objects during earthquake
13504 青島 一理
指導教員 山野辺 基雄※都合により原稿はありません。

‐181‐

2020年度 特別研究・卒業研究 概要集